Đồ án Hệ thống phát lực Động cơ đốt trong - SV Nguyễn Khánh Khôi (HUTECH)

Trọn bộ đồ án Động cơ đốt trong chủ đề Hệ thống phát lực. Bao gồm phân tích, tính toán nhiệt, động học và thiết kế các chi tiết quan trọng.

• Tác giả: Nguyễn Khánh Khôi
• Người hướng dẫn: Huỳnh Quang Thảo
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Đồ án Động cơ đốt trong: Thiết kế hệ thống phát lực
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Phát Lực Động Cơ Đốt Trong

Hệ thống phát lực là một trong những bộ phận quan trọng nhất của động cơ đốt trong, chịu trách nhiệm chuyển đổi năng lượng hóa học từ nhiên liệu thành công cơ học. Hệ thống này bao gồm nhiều thành phần phối hợp với nhau để tạo ra lực đẩy piston, từ đó chuyển động qua trục khuỷu và thanh truyền. Thiết kế hệ thống phát lực đòi hỏi hiểu biết sâu sắc về các quá trình nhiệt động lực học, tính toán áp suất khí, nhiệt độ và các thông số kết cấu. Trên các loại động cơ như Toyota Fortuner, Toyota Camry hay Huyndai D4CB, hệ thống phát lực được thiết kế khác nhau để phù hợp với từng yêu cầu kỹ thuật cụ thể. Việc nắm vững các nguyên lý thiết kế này là nền tảng cho kỹ sư công nghệ ô tô.

1.1. Định Nghĩa và Chức Năng Chính

Hệ thống phát lực là tập hợp các bộ phận chuyên dụng chuyển hóa năng lượng đốt cháy thành công cơ học. Chức năng chính bao gồm tiếp nhận áp lực từ quá trình cháy khí, truyền lực xuống piston, và điều khiển chuyển động piston theo chu trình làm việc. Các thành phần như xi lanh, piston, vòng piston đóng vai trò thiết yếu trong quá trình này.

1.2. Tầm Quan Trọng Trong Đồ Án Kỹ Thuật

Thiết kế hệ thống phát lực là một phần không thể thiếu trong đồ án động cơ đốt trong. Nó yêu cầu sinh viên kỹ thuật phải áp dụng kiến thức nhiệt động lực học, cơ học, và vẽ kỹ thuật. Qua quá trình này, họ học cách tối ưu hóa hiệu suất động cơ, tăng công suất và giảm tiêu hao nhiên liệu.

II. Phân Tích Điều Kiện Làm Việc và Yêu Cầu Của Hệ Thống Phát Lực

Điều kiện làm việc của hệ thống phát lực rất khắc nghiệt, phải chịu áp lực cực cao, nhiệt độ lên tới hàng nghìn độ, và tần suất tác động lặp đi lặp lại hàng triệu lần. Yêu cầu của hệ thống bao gồm độ bền cao, khả năng chịu nhiệt tốt, độ chặt mít toàn hảo và độ chính xác kỹ thuật cao. Nhóm thanh truyền phải chịu lực đáng kể, trong khi bánh đà giữ vai trò cân bằng và lưu trữ năng lượng. Mỗi thành phần phải được thiết kế chính xác để đảm bảo hoạt động ổn định. Yêu cầu về độ chặt mít giữa piston và xi lanh cũng vô cùng quan trọng để hạn chế thất thoát khí.

2.1. Nhiệm Vụ Cơ Bản của Hệ Thống Phát Lực

Nhiệm vụ chính là tạo ra lực tác động trực tiếp đến piston từ quá trình cháy khí. Hệ thống phải đảm bảo quá trình cháy diễn ra hoàn toàn, áp suất khí được phân bố đều, và năng lượng được truyền hiệu quả sang trục khuỷu. Việc này đòi hỏi thiết kế hình học chính xác và chọn vật liệu phù hợp.

2.2. Các Yêu Cầu Kỹ Thuật Chi Tiết

Yêu cầu bao gồm chịu nhiệt độ cao, chịu áp lực nén mạnh, độ chặt mít hoàn hảo, và khả năng chịu mòn lâu dài. Vòng piston phải ngăn chặn rò rỉ khí và dầu, trong khi xi lanh phải có độ trơn nhẵn cao. Vật liệu thường được chọn là hợp kim nhôm hoặc gang để đạt cân bằng giữa nhẹ và bền.

III. Tính Toán Nhiệt Động Lực Học Cho Hệ Thống Phát Lực

Tính toán nhiệt là bước quan trọng trong thiết kế hệ thống phát lực, giúp xác định áp suất, nhiệt độ khí tại các điểm khác nhau của chu trình làm việc. Quá trình này bao gồm tính toán quá trình nạp, nén, cháy và giãn nở. Các thông số cần thiết bao gồm áp suất không khí nạp, nhiệt độ khí nạp, áp suất khí sót, hệ số nạp thêm, và hệ số lợi dung nhiệt. Đồ thị công chỉ thị được vẽ từ các kết quả tính toán này, thể hiện sự biến thiên áp suất theo thể tích. Những dữ liệu này là cơ sở để xác định công suất động cơ, hiệu suất nhiệt, và các thông số kết cấu của động cơ.

3.1. Quá Trình Nạp và Nén Khí

Quá trình nạp là giai đoạn piston di chuyển xuống để hút không khí tươi vào xi lanh. Thông số quan trọng là áp suất nạp, nhiệt độ khí nạp, và hệ số nạp thêm. Quá trình nén tiếp theo làm tăng áp suất và nhiệt độ khí chuẩn bị cho cháy. Tỷ số nén là thông số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt.

3.2. Quá Trình Cháy và Giãn Nở

Quá trình cháy giải phóng năng lượng hóa học, tạo ra áp lực cực cao. Áp suất cháy là yếu tố quyết định công suất động cơ. Quá trình giãn nở sau đó kéo dài cho đến khi xupap xả mở, cho phép piston hoàn thành chu trình. Đồ thị p-V thể hiện rõ những quá trình này.

IV. Thiết Kế Chi Tiết Các Bộ Phận Hệ Thống Phát Lực

Thiết kế chi tiết hệ thống phát lực bao gồm xác định kích thước xi lanh, piston, vòng piston, và các thông số hình học khác. Điểm khởi phát là các thông số cho trước như số vòng quay, số xy lanh, tỷ số nén, và loại nhiên liệu. Từ đó, tính toán dung tích động cơ, đường kính xi lanh, chiều dài hành trình piston, và đặc biệt là phân tích động học của piston. Chuyển vị piston phải được tính toán chính xác để xác định vị trí piston tại mỗi thời điểm. Gia tốc piston ảnh hưởng đến quán tính và tải động trên thanh truyền và trục khuỷu. Phân tích động lực học cơ cấu giúp xác định lực khí thể tác động lên piston.

4.1. Động Học Piston và Thanh Truyền

Chuyển vị piston được xác định bằng công thức liên hệ với góc quay trục khuỷu. Gia tốc piston là đạo hàm bậc hai của chuyển vị, phản ánh những thay đổi nhanh chóng trong chuyển động. Phân tích nhóm thanh truyền bao gồm xác định lực tác động, ứng suất và biến dạng của thanh truyền dưới tải cực đại.

4.2. Bánh Đà và Các Thông Số Kết Cấu

Bánh đà có nhiệm vụ cân bằng tải động, giảm độ biến thiên tốc độ quay, và lưu trữ năng lượng. Kích thước và khối lượng bánh đà được tính toán dựa trên chu trình áp lực. Các thông số kết cấu khác như bước tuần hoàn, khoảng cách tâm, và độ chồng xếp xupap cũng được xác định từ đồ thị công chỉ thị và yêu cầu chức năng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I TỔNG QUAN Động cơ đốt trong ngày nay đang phát triển rất mạnh mẽ, giữ vai trò quan trọng trong nhiều ngành kinh tế quốc dân như công nghiệp, giao thông vận tải đường bộ, đường biển, đường không cũng như nhiều ngành công nghiệp khác. Riêng về sản lượng động cơ đốt trong trong giao thông vận tải đường bộ ngày nay trên thế giới đã đạt mức 88,6 triệu xe ôtô/năm và sản lượng này còn có thể tăng hơn nữa. Trong nhiều nước công nghiệp phát triển, ngành cơ khí năng lượng bao gồm cả công nghiệp ôtô, thường đứng vị trí thứ ba sau ngành điện tử công nghiệp và ngành hóa học. Số lượng lao động trong ngành động cơ đốt trong và thiết bị liên quan đến động cơ đốt trong cũng đã chiếm gần 30% lao động toàn xã hội.

Qui mô nhiều xí nghiệp hết sức to lớn, trờ thành những tập đoàn sản xuất xuyên lục địa như FORD, TOYOTA, HYUNDAI, BMW, MERCEDEC-BENZ, MAZDA, SUZIKI, CHEVROLET. Bài tập lớn Tính toán Động Cơ Đốt Trong được coi như là sản phẩm đầu tay của một kỹ sư ngành Công nghệ Kỹ thuật Ôtô. Nó giúp cho sinh viên bước đầu làm quen với công việc thực tế của một kỹ sư, nắm bắt được các kỹ năng khi thiết kế một động cơ. Qua bái tập lớn này chúng em có điều kiện củng cố lại và nghiên cứu sâu hơn những kiến thức đã học ở các môn học cơ sở ngành và chuyên ngành như: - Nguyên lý và chi tiết máy - Sức bền vật liệu - Nguyên Lý Động Cơ Đốt Trong - Tính toán và thiết kế Động Cơ Đốt Trong Qua sự chỉ dẫn của thầy TS Lê Thanh Tuấn , nhóm chúng em đã chọn mẫu động cơ HYUNDAI-D4CB để tiến hành nghiên cứu trong đồ án môn học này.

1 CHƯƠNG II PHÂN TÍCH ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC, NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG PHÁT LỰC 2.Nhiệm vụ của hệ thống phát lực:  Tiếp nhận năng lượng khí cháy, tạo thành chuyển động tịnh tiến của piston (trong xy – lanh) và biến nó thành cơ năng làm quay trục khuỷu, tạo mô – men có ích cho động cơ làm việc.  Bảo đảm bao kín buồng cháy, giữ không cho khí cháy trong buồng cháy lọt xuống  Các- te (hay hộp trục khuỷu) và ngăn không cho dầu nhờn từ hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy.  Làm nhiệm vụ nén trong quá trình thải và hút khí nạp mới vào buồng cháy trong quá trình nạp.Điều kiện làm việc, yêu cầu và phân loại của từng bộ phân trong hệ thống: 2.1 Piston:  Nhiệm vụ: Nhiệm vụ chủ yếu của piston là cùng với các chi tiết khác như xy-lanh, nắp xy-lanh bao kín tạo thành buồng cháy, đồng thời truyền lực của khí thể cho thanh truyền cũng như nhận lực từ thanh truyền để nén khí.  Điều kiện làm việc:  Tải trọng cơ học lớn và có chu kỳ, áp suất lớn có thể đạt tới 120 kG/cm2, lực quán tính lớn đặc biệt nếu là động cơ cao tốc.

 Tải trọng nhiệt cao vì piston tiếp xúc trực tiếp với khí cháy nên có thể đạt nhiệt độ cao từ 500 – 8000K. Nhiệt độ cao khiến piston chịu ứng suất nhiệt lớn gây bó kẹt, nứt, giảm sức bền, gây kích nổ.vv…  Ma sát lớn và ăn mòn hóa học. Ma sát gây nên do lực ngang nên có giá trị lớn với điều kiện bôi trơn khó khăn nên khó đảm bảo bôi trơn tốt. Ăn mòn hóa học do piston thường xuyên tiếp xúc với sản vật cháy.

 Yêu cầu: 2  Dạng đỉnh piston tạo thành buồng cháy tốt nhất.  Có độ bền và độ cứng đủ để tránh biến dạng quá lớn và chịu mài mòn.  Đảm bảo bao kín buồng cháy để công suất động cơ không bị giảm sút do hiện tượng lọt khí từ buồng cháy xuống cacte.  Tản nhiệt tốt để tránh dãn nở nhiệt quá mức khi động cơ đang làm việc, ngoài ra tránh được hư hỏng piston do ứng suất nhiệt.

 Phân loại: Theo dạng đỉnh piston  Đỉnh bằng: diện tích chịu nhiệt nhỏ, kết cấu đơn giản  Đỉnh lõm: có thể tạo xoáy lốc nhẹ, tạo thuận lợi cho quá trình hình thành hỗn hợp và đốt cháy. Tuy nhiên sức bền kém và diện tích chịu nhiệt lớn hơn so với đỉnh bằng.  Đỉnh chứa buồng cháy: thường gặp ở động cơ Diesel.2 Chốt Piston: Là chi tiết nối Piston với thanh truyền.  Nhiệm vụ: Truyền lực tác dụng của khí thể từ piston xuống thanh truyền.

Chốt piston thường có cấu tạo rỗng và được lắp lỏng với bệ chốt piston và đầu nhỏ thanh truyền.  Điều kiện làm việc: Chốt piston chịu lực va đập, tuần hoàn, nhiệt độ cao và điều kiện bôi trơn khó khăn. Chốt piston còn chịu ma sát dạng nửa ướt, chốt piston dễ bị mòn.  Yêu cầu:  Chốt piston phải được chế tạo bằng vật liệu tốt để đảm bảo sức bền và độ cứng vững.

Bề mặt làm việc của piston cần tôi theo công nghệ đặc biệt để đảm bảo chốt có độ cứng cao, chịu mài mòn tốt.  Ruột chốt phải dẻo để chống mỏi tốt. Mặt chốt phải mài bóng để chống ứng suất tập trung và khi lắp ghép với piston và thanh truyền khe hở phải nhỏ.  Phân loại:  Theo kiểu lắp ghép chốt:  Cố định chốt piston trên bệ chốt piston.

3  Cố định chốt piston trên đầu nhỏ thanh truyền.  Chốt piston lắp tự do.  Theo hình dạng: bề mặt bên trong chốt có dạng hình trụ hoặc côn 2.3 Xec – măng:  Nhiệm vụ: Đảm bảo piston di động dễ dàng trong xylanh. Xec – măng có 2 loại là xec – măng khí và xec – măng dầu.

Xec – măng khí làm nhiệm vụ bao kín buồng cháy tránh lọt khí còn xec – măng dầu ngăn dầu bôi trơn từ hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy.  Điều kiện làm việc: Xec – măng chịu tải trọng cơ học lớn (áp lực khí cháy), chịu lực quán tính lớn, có chu kỳ và va đập. Ngoài ra xec – măng còn chịu nhiệt độ cao, ma sát lớn, ăn mòn hóa học và ứng suất lắp ghép ban đầu.  Yêu cầu:  Chịu nhiệt cao: đặc biệt với xec – măng khí tiếp xúc trực tiếp với khí cháy.

 Chịu lực va đập: vì khi làm việc lực khí thể và lực quán tính tác dụng lên xec – măng.  Chịu mài mòn: khi làm việc xec – măng ma sát với các xylanh rất lớn.  Phân loại: có hai loại xec – măng là xec – măng khí và xec – măng dầu.4 Nhóm thanh truyền:  Nhiệm vụ: Thanh truyền là chi tiết trung gian, trong đó đầu nhỏ lắp ghép với piston, đầu lớn liên kết với chốt khuỷu. Thanh truyền có nhiệm vụ truyền lực tác dụng từ piston đến trục khuỷu.

 Điều kiện làm việc: Thanh truyền có chuyển động phức tạp bao gồm: đầu nhỏ chuyển động tịnh tiến cùng piston, thân thanh truyền chuyển động lắc, đầu to chuyển động quay cùng với trục khuỷu. Vậy thanh truyền chịu lực va đập tuần hoàn như lực khí thể, lực quán tính của nhóm piston và của chính bản thân thanh truyền.  Yêu cầu: Lựa chọn kích thước và vật liệu chế tạo hợp lý để thanh truyền chịu được các lực va đập tuần hoàn như trên.  Phân loại: Theo tiết diện thân thanh truyền.

4  Tiết diện hình chữ I: có sức bền đều theo hai phương, được dùng rất phổ biến từ động cơ cỡ nhỏ đến động cơ cỡ lớn.  Tiết diện hình chữ nhật, ô van: có ưu điểm là dễ chế tạo, thường dùng ở động cơ mô – tô, xuồng máy cỡ nhỏ.5 Trục khuỷu:  Nhiệm vụ: Tiếp nhận lực tác dụng từ piston tạo moment quay kéo các máy công tác và nhận năng lượng của bánh đà. Sau đó, truyền cho thanh truyền và piston thực hiện quá trình nén cũng như trao đổi khí trong xylanh.  Điều kiện làm việc: Trục khuỷu chịu lực T, Z do lực khí thể và lực quán tính của nhóm piston – thanh truyền gây ra.

Ngoài ra trục khuỷu còn chịu lực quán tính ly tâm của các khối lượng quay lệch tâm của bản thân trục khuỷu và của thanh truyền. Những lực này gây uốn, xoắn, dao động xoắn và dao động ngang của trục khuỷu lên các ổ đỡ.  Yêu cầu: Kết cấu trục khuỷu cần đảm bảo các yêu cầu:  Đảm bảo động cơ làm việc đồng đều, biên độ dao động của moment xoắn tương đối nhỏ.  Ứng suất sinh ra do dao động xoắn nhỏ.

 Động cơ làm việc cân bằng ít rung động.  Công nghệ chế tạo đơn giản.  Phân loại: có hai loại là trục khuỷu nguyên là trục khuỷu ghép.6 Bánh đà:  Nhiệm vụ: Giữ cho độ không đồng đều của động cơ nằm trong giới hạn cho phép. Ngoài ra bánh đà còn là nơi lắp vành răng khởi động và khắc vạch chia độ góc quay trục khuỷu.

 Yêu cầu: Trong quá trình làm việc, bánh đà tích trữ năng lượng dư sinh ra trong quá trình sinh công (lúc này moment chính của động cơ có giá trị lớn hơn moment cản nên nó làm cho trục khuỷu quay nhanh) để bù đắp phần năng lương hao hụt trong các hành trình tiêu hao công (lúc này moment cản có giá trị lớn hơn moment chính của động cơ) khiến cho trục khuỷu quay đều hơn, giảm được biên độ dao động của tốc độ góc trục khuỷu. 5  Phân loại: Theo kết cấu:  Bánh đà dạng đĩa: là bánh đà mỏng có moment quán tính nhỏ nên chỉ dùng cho động cơ tốc độ cao.  Bánh đà dạng vành: là bánh đà có moment quán tính lớn.  Bánh đà dạng chậu: là bánh đà có dạng trung gian của hai loại bánh đà trên, có moment quán tính và sức bền lớn.

 Bánh đà dạng vành có nan hoa: để tăng moment quán tính của bánh đà, phần lớn khối lượng bánh đà ở dạng vành xa tâm quay và nối với mayơ bằng các gân kiểu nan hoa. Hệ thống phát lực trên các loại động cơ 2. Hệ thống phát lực động cơ TRD 2.7V trang bị trên xe Fortuner 6 Hình 2. 1 Toyota Fortuner Hình 2.7V Cơ cấu piston – thanh truyền – trục khuỷu – bánh đà.

Cơ cấu bao gồm Piston cùng với chốt piston, các xéc măng, thanh truyền, trục khuỷu và bánh đà. Nó có nhiệm vụ tiếp nhận năng lượng của khí cháy và biến nó thành cơ năng làm quay trục khuỷu. 3 Cơ cấu piston – thanh truyền – trục khuỷu – bánh đà. 1 - Piston 2 - Chốt Piston 3 - Thanh truyền 4 - Trục khuỷu 5 - Bánh dà 2.

Nhóm Piston Piston là một trong những chi tiết quan trọng nhất của động cơ đốt trong.