Đồ án Động cơ đốt trong: Động cơ xăng 4 kỳ 8 xi lanh chữ V (n=2200 vòng/phút)

Tài liệu đồ án động cơ đốt trong, trình bày chi tiết các bước tính toán động cơ xăng V8 4 kỳ 2200 vòng/phút, từ chu trình công tác đến kiểm nghiệm bền.

• Tác giả: Nam Nguyễn Huy Hoàng Nam
• Chuyên ngành: Động cơ đốt trong
• Đề tài: Đồ án Động cơ đốt trong: Tính toán Động cơ Xăng V8
• Loại tài liệu: Đồ án

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Động Cơ Xăng V8

Động cơ xăng V8 là một trong những loại động cơ đốt trong phổ biến nhất hiện nay, được ứng dụng rộng rãi trong các phương tiện vận tải và máy móc công nghiệp. Động cơ này có cấu trúc 8 xi lanh được bố trí thành 2 hàng hình chữ V, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động. Với số vòng quay động cơ n = 2200 vòng/phút, động cơ xăng V8 cung cấp công suất ổn định và hiệu quả năng lượng cao. Suất tiêu hao nhiên liệu của loại động cơ này đạt ge = 290 g/kWh, thể hiện mức tiêu thụ xăng hợp lý cho công suất được phát sinh. Động cơ đốt trong, đặc biệt là động cơ V8, cung cấp khoảng 80% năng lượng hiện tại của thế giới, chứng minh tầm quan trọng của nó trong kinh tế toàn cầu.

1.1. Đặc Điểm Cấu Trúc Động Cơ

Động cơ xăng V8 sở hữu cấu trúc độc đáo với 8 xi lanh được sắp xếp theo hình chữ V, mang lại sự cân bằng tuyệt vời. Thiết kế này cho phép động cơ V8 hoạt động ổn định ở nhiều chế độ tốc độ khác nhau. Mỗi xi lanh hoạt động theo chu trình 4 kỳ, bao gồm nạp, nén, nổ và xả, tạo ra quá trình làm việc liên tục và mạnh mẽ.

1.2. Ứng Dụng Thực Tế

Động cơ xăng V8 được áp dụng trong ô tô cao cấp, máy kéo, xe máy thể thao và các phương tiện vận tải chuyên dùng. Khả năng phát sinh công suất lớn của động cơ V8 làm cho nó trở thành lựa chọn ưu tiên cho những ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao và độ bền lâu dài.

II. Quá Trình Tính Toán Động Cơ Đốt Trong

Tính toán động cơ đốt trong là một quá trình phức tạp đòi hỏi sự kết hợp kiến thức từ nhiều ngành học. Quá trình này bao gồm tính toán chu trình công tác của động cơ, phân tích các quá trình nạp, nén, cháy và giãn nở. Tính toán động cơ xăng V8 cần dựa trên các thông số cơ bản như dung tích xi lanh, tỷ số nén, nhiệt độ và áp suất tại các điểm quan trọng. Kết quả tính toán động cơ giúp xác định công suất, mô-men xoắn, hiệu suất nhiệt và các thông số quan trọng khác, từ đó hướng dẫn quá trình thiết kế và cải tiến động cơ.

2.1. Trình Tự Tính Toán

Tính toán động cơ tuân theo trình tự chuẩn: xác định các thông số cơ bản, tính toán quá trình nạp, quá trình nén, quá trình cháy và quá trình giãn nở. Sau đó tính toán các thông số chu trình công tác tổng hợp như công suất, mô-men xoắn và hiệu suất nhiệt động lực học.

2.2. Các Thông Số Cần Chọn

Các thông số cơ bản cần xác định bao gồm dung tích xi lanh, tỷ số nén, nhiệt độ không khí nạp vào, áp suất khí quyển, và đặc tính nhiên liệu. Những thông số này là nền tảng cho tất cả các tính toán động cơ tiếp theo.

III. Phân Tích Chi Tiết Các Quá Trình Công Tác

Để hiểu rõ hoạt động của động cơ xăng V8, cần phân tích chi tiết các quá trình công tác trong một chu kỳ hoạt động. Quá trình nạp là giai đoạn không khí và xăng được hút vào xi lanh, tạo hỗn hợp cháy. Quá trình nén nén hỗn hợp này, tăng áp suất và nhiệt độ, chuẩn bị cho quá trình cháy. Quá trình cháy là khi buồng đốt phát huy tác dụng, tạo ra áp suất và nhiệt độ cực cao. Quá trình giãn nở là các khí cháy giãn nở, tạo công hữu ích đẩy pittông xuống. Hiểu sâu các quá trình công tác giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ xăng V8.

3.1. Quá Trình Nạp Và Nén

Quá trình nạp bắt đầu khi van nạp mở, không khí cùng hỗn hợp xăng được hút vào xi lanh. Quá trình nén diễn ra khi cả hai van đóng, hỗn hợp được nén lại, tăng áp suất từ 1 atm lên khoảng 10-15 atm tùy tỷ số nén của động cơ xăng V8.

3.2. Quá Trình Cháy Và Giãn Nở

Quá trình cháy bắt đầu từ sự phun xăng và tia lửa từ bugi, tạo phản ứng nổ mạnh mẽ. Áp suất tăng đột ngột lên 50-60 atm. Quá trình giãn nở là các khí cháy giãn nở, đẩy pittông xuống, thực hiện công hữu ích cho động cơ xăng V8.

IV. Kiểm Nghiệm Bền Và Tối Ưu Hóa Động Cơ

Kiểm nghiệm bền các chi tiết chính là bước quan trọng trong thiết kế động cơ xăng V8. Đặc biệt, kiểm nghiệm bền piston cần được thực hiện cẩn thận vì piston chịu lực lớn nhất trong động cơ. Tính nghiệm bền đỉnh piston và tính nghiệm bền thân piston giúp đảm bảo độ tin cậy và tuổi thọ của động cơ V8. Các biểu đồ như đường biểu diễn hành trình pittông x = f(φ), đường biểu diễn tốc độ pittông v = f(φ) và đường biểu diễn gia tốc pittông j = f(x) cung cấp cái nhìn toàn diện về động học của động cơ xăng V8. Quá trình tính toán động lực học và tối ưu hóa giúp cải thiện hiệu suất, giảm tiếng ồn và tăng tuổi thọ của động cơ V8.

4.1. Kiểm Nghiệm Bền Piston

Kiểm nghiệm bền piston bao gồm hai phần: tính nghiệm bền đỉnh piston chịu áp suất khí cháy lớn và tính nghiệm bền thân piston chịu tác động của lực quán tính. Piston của động cơ xăng V8 phải chống chịu được áp suất lên đến 60 atm và nhiệt độ cao trong quá trình cháy.

4.2. Tối Ưu Hóa Hiệu Suất

Các biểu đồ động học và tính toán động lực học giúp xác định hình dạng tối ưu cho các chi tiết, giảm friction và tiếng ồn. Cải tiến hệ thống phun xăng, buồng đốt và thời điểm phun giúp nâng cao hiệu suất động cơ xăng V8 và giảm tiêu hao nhiên liệu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. Đặc điểm động cơ + Động cơ Xăng 4 kỳ loại 8 xi lanh được bố trí thành 2 hàng hình chữ V. + Số vòng quay động cơ: n = 2200 (vòng/phút). + Suất tiêu hao nhiên liệu: ge = 290 (g/kWh) 1.

Tổ chức quá trình cháy : 1. Loại nhiên liệu : Nhiên liệu dùng cho động cơ là xăng. Các thành phần có trong nhiên liệu: C, H, O, S [1, tr.39] Khối lượng Nhiệt trị thấp Nhiên liệu Thành phần khối lượng Phân tử QH ( kJ / kg ) (kg / kmol c h o Xăng 110 - 120 43960 0,855 0,145 - 1. Buồng đốt: Chọn buồng đốt kiểu lốc xoáy, bởi vì trong phạm vi rộng của tốc độ động cơ, nhiên liệu và không khí vẫn được phối hợp hòa trộn với nhau tạo ra hòa khí tốt.

Dòng xoáy lốc được tạo ra khi nén có cuồng độ lớn hơn so với dòng xoáy được tạo ra khi nạp, nên hòa khí được tạo ra nhanh hơn. Vì vậy kể cả khi phun nhiên liệu rất trễ, quá trình cháy vẫn kết thúc kịp thời và động cơ có thể chạy ở tốc độ cao. Mặt khác số màng lửa xuất hiện đầu tiên trong vòi phun một lỗ ít hơn nhiều so với vòi phun nhiều lỗ, nhờ đó giảm được tốc độ cháy, tốc độ tăng áp khí cháy và tiếng ồn của động cơ. Chọn buồng đốt xoáy lốc cần làm cho thời điểm cháy hơi muộn một chút (sát điểm chết trên), vì vậy trong thời gian cháy ở buồng cháy chính, pittông bắt đầu đi xuống, nhiệt độ môi chất sẽ giảm do giãn nở đã hạn chế sự hình thành NOx.

Hệ thống nhiên liệu: Sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu xăng phun xăng điều khiển điện tử , lý do áp suất phun được thực hiện cho mỗi vòi phun một cách riêng lẽ, nhiên liệu áp suất cao 3 Đồ án Động cơ đốt trong được phân phối đến từng kim phun theo yêu cầu. Lợi ích của kim phun là làm giảm mức độ tiếng ồn, nhiên liệu được phun ra ở áp suất rất cao nhờ kết hợp điều khiển điện tử, kiểm soát lượng phun, thời điểm phun. Do đó làm hiệu suất động cơ và tính kinh tế nhiên liệu cao hơn. Nhiên liệu được cung cấp theo hình thức đa điểm, thời điểm cung cấp và lượng nhiên liệu cung cấp phụ thuộc vào chế độ hoạt động của động cơ.

ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến (Cảm biến nhiệt độ khí nạp, Cảm biến lưu lượng khí nạp, Cảm biến nhiệt độ động cơ, Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu, Cảm biến áp suất , Cảm biến áp suất khí nạp, Cảm biến vị trí bàn đạp ga, Cảm biến vị trí bướm gió, Cảm biến vị trí trục cam v.v…) gửi về, sau đó phân tích chế độ hoạt động của động cơ và điều khiển thời điểm và thời lượng phun nhiên liệu. Nguyên lý hoạt động: Nhiên liệu được bơm cung cấp từ thùng chứa lên đường ống thấp áp đến lọc để loại bỏ các chất cặn và nước nếu có rồi lên bơm cung cấp, tại đây nhiên liệu lại đi qua một lọc tinh để đảm bảo nhiên liệu hoàn toàn sạch. Một bơm tiếp vận khác tại bơm cung cấp nhiên liệu vào hai buồng nén tạo cao áp của bơm cung cấp nhiên liệu. Nhiên liệu trước khi vào buồng cao áp được điều khiển thông qua van với tín hiệu cung cấp từ ECU.

Việc tao áp suất và phun nhiên liệu hoàn toàn tách biệt với nhau trong hệ thống. Áp suất phun được tạo ra độc lập với tốc độ và lượng nhiên liệu phun ra. Nhiên liệu được dự trữ với áp suất cao trong ắc quy thủy lực. Lượng phun ra được quyết định bởi bàn đạp chân ga, thời điểm phun cũng như áp sấp phun được tính toán bằng ECU dựa trên các biểu đồ lưu trữ trên nó.

Sau khi ECU điều khiển kim phun của các vòi phun tại mỗi xylanh động cơ để phun nhiên liệu nhờ thông tin từ các cảm biến với áp suất phun có thể lên dến 1500bar. Nhiên liệu còn thừa sẽ hồi về thùng chứa nhiên liệu thông qua mạch dầu hồi bố trí trên kim phun. Ưu điểm: + Tiêu hao nhiên liệu thấp. + Phát thải khí ô nhiễm thấp.

+ Động cơ làm việc êm dịu, giảm được tiếng ồn. + Cải thiện tính năng động cơ. Nhược điểm: + Thiết kế và chế tạo phức tạp đòi hỏi ngành công nghệ cao Chọn cơ cấu phân phối khí kiểu xupáp treo vì dung tích buồng cháy của động cơ xăng nhỏ, tỷ số nén rất cao, nên cơ cấu xupáp treo cho buồng cháy gọn, diện tích mặt 4 Đồ án Động cơ đốt trong truyền nhiệt nhỏ vì vậy giảm được tổn thất nhiệt. Giúp cho đường nạp thải thanh thoát hơn, khiến sức cản khí động giảm nhỏ, đồng thời do có thể bố trí xupáp hợp lí hơn nên có thể tăng tiết diện lưu thông của dòng khí.

tuy nhiên cơ cấu xupáp treo tồn tại một số nhược điểm như: cơ cấu dẫn động xupáp khá phức tạp và làm tăng chiều cao động cơ, ngoài ra còn làm cho nắp xylanh trở nên hết sức phức tạp và khó đúc. Sử dụng phương pháp dẫn động bằng cơ cấu cam - con đội - đũa đẩy - đòn gánh, vì phương pháp dẫn động này cho khả năng bố trí trục cam ở nhiều vị trí thích hợp hơn so với dẫn động trực tiếp. Hình 2: Sơ đồ cấu tạo hệ thống phân phối khí Nguyên lý hoạt động: khi động cơ hoạt động kéo bánh răng 16 dẫn động bánh răng trục cam quay khiến các vấu cam bánh răng 13 quay theo. Vấu cam đẩy con đội 12, đũa đẩy 11 đi lên ép cần bẩy 6 quay quanh trục 7 tì ép đuôi xupáp, qua đĩa lò xo 5 ép lò xo 4 để đẩy xupáp 2 đi xuống mở cửa thông: khi đỉnh vấu cam trượt qua đáy con đội thì lò xo xupáp 4, thông qua đĩa lò xo 5 đẩy xupáp đi lên đóng cửa thông đồng thời qua cần bẩy 6 ép đũa đẩy 11 và con đội 12 đi xuống để đẩy con đội tiếp xúc với mặt cam.

Hệ thống làm mát: Động cơ chỉ có thể hoạt động bình thường khi các chi tiết tiếp xúc với buồng cháy có một chế độ nhiệt thích hợp vì:Nếu nhiệt độ quá nóng thì điều kiện bôi trơn sẽ kém, 5 Đồ án Động cơ đốt trong làm cho các chi tiết chóng mòn, khe hở giữa pittông sẽ giảm do giãn nở nhiệt làm cho pittông dễ bị bó kẹt trong xylanh. + Nếu nhiệt độ mát quá mức làm cho nhiên liệu khó bay hơi và cháy không kiệt tạo muội than làm bó kẹt vòng găng gây giảm công suất và tăng tiêu hao nhiên liệu. Nhiệm vụ của hệ thống làm mát là lấy đi số nhiệt dư thừa của các chi tiết rồi tỏa số nhiệt này ra bên ngoài không khí. Ta chọn hệ thống làm mát kiểu kín: bởi vì hệ thống làm mát kiểu kín thiết lập và ổn định chế độ nhiệt có lợi nhất cho sự làm việc của động cơ ở chế độ tải định mức và các chế độ khác, giảm tổn thất nhiệt cho nước làm mát, tăng hiệu suất chỉ thị, giảm hao mòn lót xylanh-xécmăng, tăng độ bền nhiệt cho lót xylanh.

Hình 3: Hệ thống làm mát 1-thân máy ; 2-nắp xylanh ; 3-đường nước ra khỏi động cơ ; 4-ống dẫn bọt nước ; 5-van hằng nhiệt ; 6-nắp rót nước ; 7-két làm mát ; 8-quạt gió ; 9-puli ; 10-ống nước nối tắt vào bơm ; 11-đường nước vào động cơ ; 12-bơm nước ; 13-két làm mát dầu ; 14-ống phân phối nước Nguyên lý hoạt động: nước tuần hoàn nhờ bơm nước 12, qua ống phân phối nước 14 vào các khoang chứa các xylanh. Nước làm mát nhiệt độ thấp được bơm 12 hút từ 6 Đồ án Động cơ đốt trong bình chứa phía dưới của két 7 qua đường ống 10 rồi qua két 13 để làm mát dầu sau đó vào động cơ. Để phân phối nước làm mát đều cho mỗi xylanh, nước sau khi bơm vào thân máy 1 chảy qua ống phân phối 14 đúc sẵn trong thân máy. Sau khi làm mát xylanh, nước lên làm mát nắp máy rồi theo đường ống 3 ra khỏi động cơ với nhiệt độ cao đến van hằng nhiệt 5.

khi van hằng nhiệt mở, nước qua van vào bình chứa phía trên của két nước. Tiếp theo nước từ bình chứa phía trên đi qua các ống mỏng có gắn các cánh tản nhiệt. Tại đây nước được làm mát bởi dòng không khí qua két do quạt 8 tạo ra. Quạt được dẫn động bằng puli từ trục khuỷu động cơ.

Tại bình chứa phía dưới của két làm mát, nước có nhiệt độ thấp lại được bơm hút vào động cơ thực hiện một chu trình làm mát tuần hoàn. Hệ thống bôi trơn: Lý do phải bôi trơn: trong quá trình làm việc, các chi tiết chuyển động tương đối với nhau luôn xảy ra ma sát giữa các bề mặt, gây mài mòn, đồng thời làm tăng nhiệt độ các chi tiết. Vì vậy động cơ chúng ta cần được bôi trơn các bề mặt ma sát. Nhiệm vụ: Đưa dầu đến các bề mặt ma sát để bôi trơn bề mặt, lọc sạch những tạp chất lẫn trong dầu nhờn tẩy rửa các bề mặt ma sát này và làm mát dầu nhờn để đảm bảo tính năng hóa lý của nó.Làm mát các bề mặt ma sát và bảo vệ các chi tiết không bị oxyt hóa bề mặt.Bao kín khe hở giữa pittông và xylanh, giữa xécmăng và pittông.Và xe hoạt động ở độ nghiêng không lớn lắm nên dùng phương án bôi trơn cưỡng bức cacte ướt.

Sơ đồ cấu tạo: 7 Đồ án Động cơ đốt trong Hình 4. Sơ đồ cấu tạo hệ thống bôi trơn cưỡng bức cacte ướt 1-cacte dầu; 2-bơm dầu; 3-van an toàn; 4-que thăm dò; 5-bánh răng trung gian; 6- bình lọc ly tâm; 7-van nhiệt; 8-két làm mát; 9-van ổn áp; 10-trục cam; 11-đồng hồ đo áp suất dầu; 12-trục giàn cần bẩy xupap; 13-đường dầu chính; 14-khoang chứa dầu trong chốt khuỷu; 15-trục khuỷu; 16-miệng phễu đổ dầu. Nguyên lý hoạt động: bơm dầu 2 hút dầu từ cacte 1 để đưa dầu có áp suất tới bình lọc 6, sau đó qua két làm mát 8 đến đường dầu chính 13. Từ đường dầu chính, dầu có áp suất đi vào lỗ khoan trên thân máy đến bôi trơn các cổ chính và các ổ đỡ trục cam.

Từ các cổ chính dầu đi vào các lỗ xiên trên trục khuỷu đến không gian rỗng 14 trong chốt khuỷu rồi từ đó dầu sạch đi vào bôi trơn bạc đầu to thanh truyền và chốt khuỷu. Các cặn bẩn lẫn trong dầu được giữ lại mặt thành xa tâm quay của không gian 14 nhờ tác dụng ly tâm của dầu quay theo trục khuỷu.