Đồ án Tính toán Động cơ đốt trong Audi - SV Nguyễn Danh Nhân (ĐHSPKT Vinh)

Tài liệu đồ án động cơ đốt trong Audi đầy đủ file word và bản vẽ. Trình bày chi tiết tính toán chu trình công tác, động học và động lực học.

• Tác giả: Nguyễn Danh Nhân
• Người hướng dẫn: Nguyễn Văn Đại
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Vinh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Ô Tô
• Đề tài: Tính Toán Động Cơ Đốt Trong Audi
• Loại tài liệu: Đồ Án
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Vinh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Động cơ đốt trong Audi

Đồ án động cơ đốt trong Audi là một bài tập học thuật quan trọng trong chương trình đào tạo chuyên ngành công nghệ ô tô. Đây là công việc thực hành giúp sinh viên vận dụng các kiến thức lý thuyết về động cơ đốt trong vào tính toán cụ thể trên một loại động cơ thực tế. Động cơ đốt trong đóng vai trò then chốt trong nền kinh tế hiện đại, là nguồn động lực cho các phương tiện vận tải và máy móc công nghiệp. Đồ án này yêu cầu sinh viên thực hiện các phép tính toán chi tiết, vẽ bản vẽ kỹ thuật và phân tích bền độ của các chi tiết quan trọng. Thông qua quá trình hoàn thành đồ án động cơ đốt trong, sinh viên sẽ nắm vững quy trình thiết kế, tính toán và đánh giá hiệu suất động cơ.

1.1. Mục tiêu của đồ án

Mục tiêu chính của đồ án động cơ đốt trong Audi là giúp sinh viên nắm vững các kỹ năng thiết kế và tính toán động cơ. Sinh viên sẽ học cách tính toán chu trình công tác của động cơ, phân tích động học và động lực học, đồng thời đánh giá bền độ của các chi tiết quan trọng như trục khuỷu. Đồ án còn giúp rèn luyện khả năng tư duy kỹ thuật và vẽ bản vẽ kỹ thuật chuyên nghiệp.

1.2. Cấu trúc của đồ án

Đồ án động cơ đốt trong bao gồm hai phần chính: phần thuyết minh và phần bản vẽ. Phần thuyết minh bao gồm tính toán chu trình công tác, tính toán động học và động lực học với sơ đồ chi tiết, và tính bền chi tiết trục khuỷu. Phần bản vẽ gồm bản vẽ động học động lực học trên khổ giấy A0 và các bản vẽ chi tiết trên khổ A1, A2, A3 theo tỷ lệ quy định.

II. Tính toán chu trình công tác động cơ Audi

Tính toán chu trình công tác của động cơ đốt trong Audi là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong quá trình hoàn thành đồ án. Dựa trên các số liệu ban đầu như công suất động cơ 130 mã lực, số vòng quay 5600 vòng/phút, đường kính xilanh 82,5mm và hành trình pittong 92,8mm, sinh viên phải thực hiện các phép tính toán phức tạp. Các thông số cần chọn bao gồm áp suất môi trường, nhiệt độ môi trường, áp suất cuối quá trình nạp, áp suất khí thải và nhiệt độ khí sót. Quá trình này đòi hỏi sinh viên phải hiểu rõ các chu trình nhiệt động học của động cơ và áp dụng đúng các công thức toán học.

2.1. Số liệu ban đầu và thông số chọn

Số liệu ban đầu của động cơ Audi bao gồm: công suất Ne = 130 mã lực, số vòng quay n = 5600 vòng/phút, đường kính xilanh D = 82,5mm, hành trình pittong S = 92,8mm, dung tích công tác Vh = 0,496 dm³, số xilanh i = 4, tỷ số nén ε = 10,5. Thông số cần chọn bao gồm áp suất môi trường pk = 0,1 MPa, nhiệt độ môi trường Tk = 297K, áp suất cuối nạp pa = 0,09 MPa, áp suất khí thải pr = 0,105 MPa, nhiệt độ khí sót Tr = 850K.

2.2. Phương pháp tính toán

Phương pháp tính toán chu trình công tác sử dụng các phương trình nhiệt động học cơ bản. Dựa vào tỷ số nén ε = 10,5 và các thông số về nạp xả, tính toán các quá trình nén, đốt cháy và giãn nở. Sử dụng các bảng tra cứu hệ số hiệu đính tỉ nhiệt để xác định các đại lượng nhiệt động học tại các điểm quan trọng trong chu trình. Kết quả tính toán giúp xác định áp suất, nhiệt độ, thể tích tại các điểm và từ đó tính được công suất và hiệu suất của động cơ.

III. Tính toán động học và động lực học trục khuỷu

Tính toán động học và động lực học là phần quan trọng nhất trong đồ án, chiếm khoảng 4 tuần thực hiện. Phần này tập trung vào phân tích chuyển động của các chi tiết động cơ, đặc biệt là trục khuỷu, thanh truyền và pittong. Với chiều dài thanh truyền ltt = 144mm, khối lượng nhóm pittong mpt = 0,36kg và khối lượng nhóm thanh truyền mtt = 0,64kg, sinh viên cần tính toán các lực tác dụng, mô men xoắn và gia tốc. Tính toán động lực học đòi hỏi phải xác định các lực quán tính, lực áp từ khí, lực ma sát và cân bằng lực cho từng vị trí của trục khuỷu. Kết quả của phần này được thể hiện bằng các đồ thị biểu diễn sự biến thiên của áp suất, lực và mô men theo góc quay trục khuỷu.

3.1. Tính toán động học chi tiết

Tính toán động học xác định vị trí, vận tốc và gia tốc của các chi tiết chuyển động như pittong, thanh truyền, trục khuỷu theo góc quay. Dựa vào chiều dài thanh truyền và bán kính khuỷu, tính độ dịch chuyển của pittong d = r(1 - cos φ) + l - √(l² - r²sin²φ). Từ đó tính vận tốc và gia tốc. Các kết quả được lập bảng tính cho 180 vị trí khác nhau trong một chu kỳ, từ đó vẽ đồ thị biểu diễn sự biến thiên.

3.2. Tính toán động lực học lực tác dụng

Tính toán động lực học xác định các lực tác dụng lên trục khuỷu bao gồm: lực áp từ khí Pgi = pi.A, lực quán tính Pj = m.a, lực ma sát và lực cân bằng. Lực tổng hợp tác dụng lên thanh truyền T = Pgi - Pj, từ đó tính mô men xoắn trên trục khuỷu M = T × r × sin(φ + β). Mô men xoắn biến thiên theo góc quay và được vẽ thành đồ thị dùng để đánh giá cân bằng động cơ.

IV. Tính bền chi tiết trục khuỷu và vẽ bản vẽ kỹ thuật

Tính bền chi tiết trục khuỷu là phần cuối của phần tính toán, chiếm 2 tuần thực hiện. Trục khuỷu là chi tiết chịu tải trọng cao nhất trong động cơ, phải chịu lực uốn và xoắn lặp biến. Dựa vào các kết quả từ tính toán động lực học, xác định ứng suất uốn σ = M/W và ứng suất xoắn τ = Mt/Wp tại các vị trí nguy hiểm của trục. Tính hệ số an toàn so với giới hạn bền mỏi và so với giới hạn chảy. Phần vẽ bản vẽ chi tiết bao gồm bản vẽ động học động lực học trên A0 và các bản vẽ chi tiết các linh kiện trên A1, A2, A3 theo tỷ lệ 1:1 hoặc 1:2. Cuối cùng là hoàn thành thuyết minh toàn bộ đồ án và chuẩn bị cho buổi bảo vệ.

4.1. Tính bền trục khuỷu

Tính bền trục khuỷu dựa trên lý thuyết mệt mỏi vật liệu. Xác định ứng suất cực đại tại các điểm nguy hiểm của trục bằng công thức ứng suất uốn σ = M/W và ứng suất xoắn τ = Mt/Wp. Tính ứng suất tương đương theo tiêu chuẩn von Mises: σeq = √(σ² + 3τ²). So sánh với giới hạn bền mỏi của vật liệu để xác định hệ số an toàn n = σ/σeq. Hệ số an toàn phải ≥ 1,5 để đảm bảo an toàn trong quá trình hoạt động.

4.2. Vẽ bản vẽ kỹ thuật và hoàn thành đồ án

Vẽ bản vẽ kỹ thuật là phần cuối cùng, bao gồm vẽ đồ thị động học động lực học trên khổ giấy A0 với tỷ lệ phù hợp, và vẽ các bản vẽ chi tiết chi tiếc trên khổ A1, A2, A3. Phần thuyết minh cần tóm tắt tất cả các tính toán, kết quả và kết luận. Sinh viên phải chuẩn bị kỹ lưỡng để bảo vệ đồ án trước hội đồng, trình bày rõ ràng các bước tính toán và kết quả đạt được.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I TÍNH TOÁN CHU TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Trình tự tính toán : 1.1 Số liệu ban đầu: 1 - Công suất của động cơ Ne = 130 (mã lực) 2 - Số vòng quay của trục khuỷu n = 5600 (vòng/phút) 3 - Đường kính xilanh D = 82,5 (mm) 4 - Hành trình của pittong S = 92,8 (mm) 5 - Dung tích công tác Vh = 0,496 (dm3) 6 - Số xilanh i = 4 7 - Tỷ số nén = 10,5 8 - Thứ tự làm việc cuả xilanh 1- 3 – 4 - 2 9 - Suất tiêu hao nhiên liệu ge =178 (g/ml.h) 10 - Góc mở sớm và đống muộn của supap nạp 1 = 260 ; 2 = 480 11 - Góc mở sớm và đóng muộn của supap thải 1 = 320 ; 2 = 80 12- Góc đánh lửa sớm φ = 15º 13 - Chiều dài thanh truyền ltt = 144 (mm) 14 - Khối lượng nhóm pittong mpt = 0,36 (kg) 15 - Khối lượng nhóm thanh truyền mtt = 0,64 (kg) 1. Các thông số cần chọn: 1. Áp suất môi trường : pk Áp suất môi trường pk là áp suất khí quyển trước khi nạp vào động cơ .Với động cơ không tăng áp thì áp suất khí quyển bằng áp suất trước supap nạp nên ta chọn pk = p0. Ở nước ta chọn pk = p0 = 0,1 (MPa) 2.

Nhiệt độ môi trường : Tk SVTH:Nhân 4 TRƯỜNG ĐHSPKT VINH Đồ án động cơ đốt trong Nhiệt độ môi trường được lựa chọn theo nhiệt độ bình quân cả năm. với động cơ không tăng áp ta có nhiệt độ môi trưòng bằng nhiệt độ trước supap nạp nên : Tk = T0 = 240C = 2970K 3. Áp suất cuối quá trình nạp : pa Áp suất cuối quá trình nạp pa có thể chọn trong phạm vi : Pa = (0,8 ÷ 0,9).pk chọn pa = 0,9. Áp suất khí thải: pr Áp suất khí thải cũng phụ thuộc vào các thông số như pa Pr =(1,05 ÷ 1,15).pk chọn pr =1,05.

Mức độ sấy nóng môi chất : Mức độ sấy nóng môi chất chủ yếu phụ thuộc vào quá trình hình thành khí hỗn hợp ở bên ngoài hay bên trong xilanh chọn =25 0C =2980K 6. Nhiệt độ khí sót (khí thải) : Tr Nhiệt độ khí sót Tr phụ thuộc vào chủng loại động cơ. Nếu quá trình giản nở càng triệt để thì nhiệt độ Tr càng thấp. Tr =700 ÷ 1000 0K chọn Tr = 8500K 7.

Hệ số hiệu đính tỉ nhiệt: Hệ số hiệu đính tỉ nhiệt được chọn theo hệ số dư lượng không khí để hiệu đính .Thông thường có thể chọn theo bảng sau: 0,8 1,0 1,2 1,4 1,13 1,17 1,14 1,11 Động cơ xăng chọn SVTH:Nhân 5 TRƯỜNG ĐHSPKT VINH Đồ án động cơ đốt trong 8. Hệ số quét buồng cháy λ2 : Động cơ không tăng áp chọn λ2 =1 9. Hệ số nạp thêm λ1 : Hệ số nạp thêm λ1 phụ thuộc chủ yếu vào pha phân phối khí. thông thường λ1 =1,02 ÷ 1,07 chọn λ1 =1,03 10.

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z ( z ): Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z ( z ) phụ thuộc vào chu trình công tác của động cơ, thể hiện lượng nhiệt phát ra đã cháy ở điểm z so với lượng nhiệt phát ra khi đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu. Với động xăng chọn z =0,85÷0,92. Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ( b ): Với động cơ xăng b =0,85÷0,95. Hệ số hiệu đính đồ thị công d : Thể hiện sự sai lệch khi tính toán lý thuyết chu trình công tác của động cơ so với chu trình công tác thực tế.

Tính toán các quá trình công tác : 1.1 Tính toán quá trình nạp : 1. Hệ số khí sót γr : Hệ số khí sót γr được tính theo công thức : γr=. Trong đó : m là chỉ số giản nở đa biến trung bình của khí sót SVTH:Nhân 6 TRƯỜNG ĐHSPKT VINH Đồ án động cơ đốt trong m =1,45÷1,5 chọn m =1,5 2. Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta : Nhiêt độ cuối quá trình nạp Ta được tính theo công thức : Ta = Ta= (0K) 3.

Hệ số nạp : Hệ số nạp được xác định theo công thức : 4. Lượng khí nạp mới M1 : Lượng khí nạp mới M1 được xác định theo công thức : M1 = (kmol/kg nhiên liệu) Trong đó : là áp suất có ích trung bình được xác định theo công thức : (MPa) SVTH:Nhân 7 TRƯỜNG ĐHSPKT VINH Đồ án động cơ đốt trong là thể tích công tác của động cơ được xác định theo công thức : (lít) (lít) Nên: (MPa) V ậy M1= (kmol/kg nhiên liệu) 5. Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu M0: Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu M 0 được tính theo công thức: M0 = (kmol/kg nhiên liệu) Đối với nhiên liệu của động cơ xăng ta có : C=0. Hệ số dư lượng không khí : Đối với động cơ xăng cần phải xét đến hơi nhiên liệu ,vì vậy: Trong đó : trọng lượng phân tử của xăng, thường chọn =114 SVTH:Nhân 8 TRƯỜNG ĐHSPKT VINH Đồ án động cơ đốt trong 1.2 Tính toán quá trình nén: 1.

Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của không khí : =19,806+0,00209. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình cuả sản phẩm cháy : Khi hệ số dư lượng không khí <1 ,tính theo công thức sau: =(17,997+3. Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp : Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp trong quá trình nén tính theo công thức sau : = (kJ/kmol. Chỉ số nén đa biến trung bình n1 : Chỉ số nén đa biến trung bình phụ thuộc vào rất nhiều thông số kết cấu và thông số vận hành như kích thước xilanh, loại buồng cháy, số vòng quay, phụ tải trạng thái nhiệt độ của động cơ …Tuy nhiên n 1 tăng giảm theo quy luật sau : Tất cả những nhân tố làm cho môi chất mất nhiệt sẽ làm cho n1 tăng.

Chỉ số nén đa biến trung bình n 1 được xác định bằng cách giải phương trình : Chú ý : thông thường để xác định n1 ta phải chọn n1 trong khoảng 1,340 ÷ 1,390. Ta có : SVTH:Nhân 9 TRƯỜNG ĐHSPKT VINH Đồ án động cơ đốt trong vế trái =0,3707 sai số =0,0170 <0,2% vế phải =0,3723 thoả mãn điều kiện 5. Áp suất cuối quá trình nén pc : Áp suất cuối quá trình nén pc được xác định theo công thức sau : (MPa) 6. Nhiệt độ cuối quá trình nén Tc : Được xác định theo công thức : (0K) 7.

Lượng môi chất công tác của quá trình nén Mc Lượng môi chất công tác của quá trìng nén Mc được xác định theo công thức: Mc=M1+Mr=M1. Tính toán quá trình cháy: 1. Hệ số thay đổi phân tử lý thuyết : Ta có hệ số thay đổi phân tửlý thuyết được xác định theo công thức: = = Trong đó độ tăng mol của các loại động cơ được xác định theo công thức: 0.21(1- )M0 + ( + ) 0,0318 Với động cơ xăng : SVTH:Nhân 10 TRƯỜNG ĐHSPKT VINH Đồ án động cơ đốt trong 2. Hệ số thay đổi phân tử thực tế β: (Do khí sót) Ta có hệ số thay đổi phân tử thực tế β được xác định theo công thức: 3.

Hệ số thay đổi phân tử thực tế tại điểm z ( ): (Do cháy chưa hết) Ta có hệ số thay đổi phân tử thưc tế tại điêm z ( ) được xác định theo công thức: χz Trong đó : χ z= = 4. Lượng sản vật cháy M2 : Ta có lượng sản vật cháy M2 được xác định theo công thức : (kmol/kg. Nhiệt độ tại điểm z (Tz ) : Đối với động cơ xăng ,nhiệt độ tại điểm z (T z ) bằng cách giải phương trình cháy : Trong đó : : nhiệt trị thấp của nhiên liệu, thông thường có thể chọn =42500 (kJ/kgnl) SVTH:Nhân 11 TRƯỜNG ĐHSPKT VINH Đồ án động cơ đốt trong : nhiệt lượng tổn thất do nhiên liệu cháy không hết khi đốt 1 kg nhiên liệu , thông thường có thể xác định theo α bằng công thức sau : (KJ/kgnl) Vì α > 1 nên bỏ qua ΔQH tức là ΔQH =0 : Là tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản vật cháy được xác định theo công thức: 6. Áp suất tại điểm Z( pz) : Ta có áp suất tại điểm Z( pz) được xác định theo công thức : Pz = λ.5027 (MPa) Với λ là hệ số tăng áp : λ= = Chú ý : Hệ số tăng áp λ được chọn sơ bộ ở phần thông số chọn ,sau khi tính toán hệ số giản nở (ở quá trình giản nở) phải bảo đảm , λ được chọn sơ bộ trong khoảng 1,5÷2 1.

Tính toán quá trình giản nở : 1. Hệ số giản nở sớm : Đối với động cơ xăng SVTH:Nhân 12 TRƯỜNG ĐHSPKT VINH Đồ án động cơ đốt trong 2. Hệ số giản nở sau : Ta có hệ số giản nở sau được xác định theo công thức : Đối với động cơ xăng =10,7 3. Chỉ số giản nở đa biến trung bình n2 : Ta có chỉ số giản nở đa biến trung bình n2 được xác định từ phương trình cân bằng sau : Trong đó : Tb : là nhiệt trị tại điểm bvà xác định theo công thức : (0K) : Nhiệt trị tính toán Đối với đọng cơ xăng : 44.

Ta có : vế trái =0,2229 sai số =0,004<0,2% vế phải =0,2408 thỏa mãn điều kiện 4. Nhiệt độ cuối quá trình giản nở Tb: Ta có công thức xác định nhiệt độ cuối quá trình giản nở Tb: Tb= (0K) (0K) 5. Áp suất cuối quá trình giản nở pb : Áp suất cuối quá trình giản nở pb được xác định theo công thức : SVTH:Nhân 13 TRƯỜNG ĐHSPKT VINH Đồ án động cơ đốt trong (MPa) 6. Tính nhiệt độ khí thải Trt : Nhiệt độ khí thải được xác định theo công thức : (0K) Sai số của nhiệt độ khí thải tính toán T rt và nhiệt độ khí thải đã chọn ban đầu không được vượt quá 15% , nghĩa là: Vậy đã thoả mãn điều kiện trên.

Tính toán các thông số chu kỳ công tác : 1. Áp suất chỉ thị trung bình được xác định theo công thức: = (MPa) =1,0731 (MPa) 2. Áp suất chỉ thị trung bình thực tế pi : Do có sự sai khác giữa tính toán và thực tế do đo ta có áp suất chỉ thị trung bình thực tế được xác định theo công thức : (MPa) Trong đó là số hiệu đính đồ thị công. Chọn theo tính năng và chủng loại động cơ.

SVTH:Nhân 14 TRƯỜNG ĐHSPKT VINH Đồ án động cơ đốt trong 3. Suất tiêu hao nhiên liệu gi : Ta có công thức xác định suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi : (g/kW. Hiệu suất chỉ thị : Ta có công thức xác định hiệu suất chỉ thị : 5.