Giáo trình Kết cấu Động cơ Đốt trong: Tìm hiểu và Ứng dụng

Giáo trình kết cấu động cơ đốt trong cung cấp kiến thức cơ bản và nâng cao về cấu trúc, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của động cơ.

• Tác giả: ThS. Nguyễn Lê Châu Thành
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
• Chuyên ngành: Cơ khí Ô tô
• Đề tài: Kết cấu động cơ đốt trong
• Loại tài liệu: Giáo trình

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: ĐỘNG HỌC CƠ CẤU KHUỶU TRỤC THANH TRUYỀN (KTTT)
• 1.1. ĐỘNG HỌC CỦA CƠ CẤU KTTT GIAO TÂM
• 1.1.1. Xác định động học piston bằng phương pháp giải tích
• 1.1.2. Động học của thanh truyền
• 1.2. Động học của cơ cấu KTTT lệch tâm
• 1.2.1. Mục đích của cơ cấu KTTT lệch tâm
• 1.2.2. Động học của piston trong cơ cấu KTTT lệch tâm
• 1.2.3. Động học của thanh truyền trong cơ cấu KTTT lệch tâm dạng chính xác
• 1.3. CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU KHUỶU TRỤC THANH TRUYỀN
• 2.1. CÁC LỰC TÁC DỤNG LÊN CƠ CẤU KHUỶU TRỤC THANH TRUYỀN
• 2.1.1. Lực khí thể
• 2.1.2. Lực quán tính chuyển động thẳng
• 2.1.3. Lực quán tính ly tâm
• 2.2. HỆ LỰC VÀ MOMEN TÁC DỤNG LÊN CƠ CẤU KHUỶU TRỤC THANH TRUYỀN
• 2.2.1. Hệ lực tác dụng trên cơ cấu khuỷu trục thanh truyền
• 2.2.2. Mô men quay trục khuỷu
• 2.3. CÂN BẰNG ĐỘNG CƠ
• 2.3.1. Mục đích cân bằng động cơ
• 2.3.2. Cân bằng động cơ 1 xy lanh
• 2.3.2.1. Cân bằng lực quán tính chuyển động tịnh tiến
• 2.3.2.2. Cân bằng lực quán tính chuyển động quay

Tóm tắt

I. Tổng quan về kết cấu động cơ đốt trong Khám phá chi tiết

Kết cấu động cơ đốt trong là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong thiết kế và hoạt động của động cơ. Động cơ đốt trong hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng từ nhiên liệu thành cơ năng thông qua quá trình đốt cháy. Cấu trúc của động cơ bao gồm nhiều bộ phận như xi lanh, piston, trục khuỷu và thanh truyền. Mỗi bộ phận này đều có vai trò riêng biệt và ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của động cơ.

1.1. Ứng dụng của động cơ đốt trong trong đời sống

Động cơ đốt trong được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như ô tô, máy bay, tàu thủy và máy móc công nghiệp. Chúng cung cấp năng lượng cho các phương tiện di chuyển và thiết bị sản xuất, đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế hiện đại.

1.2. Các loại động cơ đốt trong phổ biến hiện nay

Có nhiều loại động cơ đốt trong khác nhau, bao gồm động cơ xăng, động cơ diesel và động cơ hybrid. Mỗi loại động cơ có ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau trong thực tế.

II. Vấn đề và thách thức trong thiết kế kết cấu động cơ đốt trong

Thiết kế kết cấu động cơ đốt trong gặp nhiều thách thức, bao gồm việc tối ưu hóa hiệu suất, giảm thiểu khí thải và tiết kiệm nhiên liệu. Các nhà thiết kế phải cân nhắc giữa hiệu suất và độ bền của các bộ phận, đồng thời đảm bảo rằng động cơ hoạt động ổn định trong nhiều điều kiện khác nhau.

2.1. Thách thức về hiệu suất động cơ

Một trong những thách thức lớn nhất là làm tăng hiệu suất động cơ mà không làm tăng tiêu thụ nhiên liệu. Các công nghệ mới như turbocharging và phun nhiên liệu trực tiếp đang được áp dụng để cải thiện hiệu suất.

2.2. Vấn đề khí thải và bảo vệ môi trường

Khí thải từ động cơ đốt trong là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường. Các quy định ngày càng nghiêm ngặt về khí thải yêu cầu các nhà sản xuất phải tìm ra giải pháp hiệu quả để giảm thiểu ô nhiễm.

III. Phương pháp tối ưu hóa kết cấu động cơ đốt trong hiệu quả

Để tối ưu hóa kết cấu động cơ đốt trong, các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều phương pháp khác nhau. Những phương pháp này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất và bảo trì.

3.1. Công nghệ mới trong thiết kế động cơ

Công nghệ CAD/CAM và mô phỏng động lực học đã giúp các kỹ sư thiết kế động cơ một cách chính xác hơn. Việc sử dụng vật liệu nhẹ và bền cũng góp phần nâng cao hiệu suất động cơ.

3.2. Tối ưu hóa quy trình sản xuất động cơ

Quy trình sản xuất động cơ cần được tối ưu hóa để giảm thiểu lãng phí và tăng cường hiệu quả. Việc áp dụng các phương pháp sản xuất tinh gọn (Lean Manufacturing) là một trong những giải pháp hiệu quả.

IV. Ứng dụng thực tiễn của kết cấu động cơ đốt trong trong nghiên cứu

Kết cấu động cơ đốt trong không chỉ được nghiên cứu trong lý thuyết mà còn được áp dụng thực tiễn trong nhiều lĩnh vực. Các nghiên cứu này giúp cải thiện hiệu suất và độ bền của động cơ, đồng thời giảm thiểu tác động đến môi trường.

4.1. Nghiên cứu về hiệu suất động cơ

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các bộ phận như piston và trục khuỷu có thể làm tăng hiệu suất động cơ lên đến 20%. Các thử nghiệm thực tế đã chứng minh tính khả thi của những cải tiến này.

4.2. Kết quả nghiên cứu về khí thải động cơ

Các nghiên cứu về khí thải đã chỉ ra rằng việc áp dụng công nghệ mới có thể giảm thiểu khí thải độc hại xuống mức tối thiểu. Điều này không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế.

V. Kết luận và tương lai của kết cấu động cơ đốt trong

Kết cấu động cơ đốt trong đang trải qua nhiều thay đổi lớn với sự phát triển của công nghệ. Tương lai của động cơ đốt trong sẽ phụ thuộc vào khả năng cải tiến hiệu suất và giảm thiểu tác động đến môi trường.

5.1. Xu hướng phát triển động cơ trong tương lai

Xu hướng hiện nay là phát triển động cơ hybrid và điện hóa, nhằm giảm thiểu khí thải và tiết kiệm nhiên liệu. Các công nghệ mới như pin nhiên liệu cũng đang được nghiên cứu để thay thế động cơ đốt trong truyền thống.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu và phát triển

Nghiên cứu và phát triển là yếu tố then chốt để cải tiến kết cấu động cơ đốt trong. Các nhà sản xuất cần đầu tư vào nghiên cứu để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường và bảo vệ môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Giáo trình: Kết cấu động cơ đốt trong. Biên soạn: ThS. Nguyễn Lê Châu Thành 1 CHƢƠNG 1: ĐỘNG HỌC CƠ CẤU KHUỶU TRỤC THANH TRUYỀN (KTTT) 1. ĐỘNG HỌC CỦA CƠ CẤU KTTT GIAO TÂM Cơ cấu KTTT giao tâm là cơ cấu mà đường xuyên tâm xi lanh trực giao với đường tâm trục khuỷu tại 1 điểm.

Sơ đồ cơ cấu A ĐCT x B' S  l B ĐCD D C  R O a) b) Hình 1. a) Mô tả hoạt động của động cơ đốt trong; b). Sơ đồ động học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền giao tâm O - Giao điểm của đường tâm xi lanh và đường tâm trục khuỷu. C - Giao điểm của đường tâm thanh truyền và đường tâm chốt khuỷu.

B' - Giao điểm của đường tâm xi lanh và đường tâm chốt piston. A - Vị trí chốt piston khi piston ở ĐCT B - Vị trí chốt piston khi piston ở ĐCD R - Bán kính quay của trục khuỷu (m) l - Chiều dài của thanh truyền (m) S - Hành trình của piston (m) x - Độ dịch chuyển của piston tính từ ĐCT ứng với góc quay trục khuỷu  (m)  - Góc lắc của thanh truyền ứng với góc  (độ) 1. Xác định động học piston bằng phƣơng pháp giải tích a. Chuyển vị của piston Từ hình 1.1 b) ta có chuyển vị x của piston: x= AO - (B'D+DO) = [(R+l) - (lcos+Rcos )] (1.1) R Đặt   là tham số kết cấu của động cơ.

l  1   1  x  R 1     cos   cos         Xét tam giác OCB', theo quan hệ lượng giác ta có: Bộ môn Cơ khí Ô tô, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Giáo trình: Kết cấu động cơ đốt trong. Biên soạn: ThS. Nguyễn Lê Châu Thành 2 DC = R.sin hoặc DC = l.sin sin  và cos   1  sin  rút ra: cos   1   sin  2 2 Như vậy:   2 sin  Khai triển nhị thức Niutơn rút gọn thay vào (1.1) ta có công thức gần đúng:    x  R 1  cos    1  cos 2  (1. Vận tốc của piston Đạo hàm chuyển vị theo thời gian ta được biểu thức xác định vận tốc: dx dx d dx v    (1.3) dt d dt d d Với:   Vận tốc góc của trục khuỷu dt    Công thức gần đúng: v  R sin   sin 2  (1.4)  2  Khi thiết kế động cơ người ta thường quan tâm đến tốc độ trung bình của piston: S.

Gia tốc của piston dv dv d dv j   (1.5) dt d dt d Công thức gần đúng: j  R cos    cos 2  2 (1.6) Gia tốc j đạt cực trị khi: dj  R2 sin   2 sin 2   0 d tương ứng với:   0 khi đó j  0  R2 (1  ) khi đó j180  R (1  ) 2   180  1  1   arccos   j  R2 (  ) trị số này tồn tại khi   1. Động học của thanh truyền a. Góc lắc của thanh truyền Thanh truyền chuyển động song phẳng, góc lệch của tâm thanh truyền so với đường tâm xi lanh được xác định: Bộ môn Cơ khí Ô tô, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Giáo trình: Kết cấu động cơ đốt trong. Biên soạn: ThS.

Nguyễn Lê Châu Thành 3   arcsin( sin ) (1. Vận tốc góc của thanh truyền d d d d cos  cos  tt      ; tt   (1.8) dt d dt d cos  1  2 sin 2  Khi  = 0 và  = 180, vận tốc góc thanh truyền đạt cực trị  tt max    c. Gia tốc góc của thanh truyền dtt dtt d d sin   tt     tt  2 (1  2 ) (1.9) dt d dt d (1  2 sin 2 )3 0 0 1 Khi  = 90 và  = 270 , gia tốc góc thanh truyền đạt cực trị  tt max   2 1  2 1. Động học của cơ cấu KTTT lệch tâm Cơ cấu KTTT lệch tâm là cơ cấu mà đường tâm xi lanh trực giao với đường tâm trục khuỷu trong không gian và cách trục khuỷu một khoảng là e a (thường kí hiệu là e): gọi là độ lệch tâm, có giá trị e  5mm, và e  k  0,04  0,2 R gọi là độ lệch tâm tương đối.

e Gọi  k là hệ số lệch tâm R R Và   là tham số kết cấu l l: là chiều dài thanh truyền R là bán kính quay của trục khuỷu. Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm 1. Mục đích của cơ cấu KTTT lệch tâm - Tăng hành trình nạp lý thuyết, để thời gian nạp kéo dài hơn nhằm tăng lượng nạp. - Tăng được hành trình piston, cho nên tăng được thể tích công tác trong khi vẫn giữ nguyên bán kính quay R và đường kính xi lanh D.

- Giảm được lực ngang N tác dụng lên thành xi lanh ở hành trình sinh công, do đó giảm sự va đập, giảm mài mòn nhóm Piston, xi lanh. - Giảm tốc độ của piston ở gần ĐCT, do đó quá trình cháy được hoàn thiện hơn. - Tăng được khoảng cách giữa đường tâm trục khuỷu và đường tâm trục cam nên khả năng bố trí dẫn động các cơ cấu được dễ ràng hơn. Nhược điểm: - Lực quán tính chuyển động thẳng tăng lên dẫn đến tăng hao mòn các chi tiết, ảnh hưởng xấu đến tính cân bằng của động cơ.

- Tính công nghệ chế tạo động cơ kém hơn. Bộ môn Cơ khí Ô tô, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Giáo trình: Kết cấu động cơ đốt trong. Biên soạn: ThS. Nguyễn Lê Châu Thành 4 - Để đơn giản hơn, người ta chế tạo lệch tâm chốt piston cách đường tâm piston một khoảng a.

Như vậy, đường tâm piston trùng với đường tâm xi lanh như trong cơ cấu KTTT giao tâm. Với mục đích giảm lực N ở hành trình sinh công nên độ lệch tâm luôn ở về phía chiều quay ở trục khuỷu. Trong động cơ tàu thủy có cơ cấu đảo chiều không dùng cơ cấu KTTT lệch tâm. Góc lệch của thanh truyền ở các vị trí điểm chết 1 là góc hợp bởi thanh truyền với đường tâm xi lanh khi piston ở ĐCT và 2 là góc hợp bởi thanh truyền với đường tâm xi lanh khi piston ở ĐCD.

e k sin 1  cho nên có thể viết: sin 1  lR  1 e k sin  2   rút ra: sin  2   lR l 1. Động học của piston trong cơ cấu KTTT lệch tâm Dựa vào các công thức tính gần đúng các giá trị x, v, j trong cơ cấu KTTT giao tâm và có xét đến hệ số lệch tâm k. Độ dịch chuyển của piston  1  x  R (1  cos )  (1  cos 2)  k sin    4  b. Vận tốc của piston    v  Rsin   sin   k cos    4  c.

Gia tốc của piston J = R2(cos + cos2 + ksin) 1. Động học của thanh truyền trong cơ cấu KTTT lệch tâm dạng chính xác Sin = (sin - k) a. Vận tốc lắc d cos  cos  cos    cos   tt   ; tt  (1. Gia tốc lắc a R với k  là hệ số lệch tâm;   .12) 1  (sin   k)  3 2 2 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 1 1.

Nêu ưu nhược điểm của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền lệch tâm 2. Cho công thức tính chuyển vị pison: Bộ môn Cơ khí Ô tô, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Giáo trình: Kết cấu động cơ đốt trong. Biên soạn: ThS. Nguyễn Lê Châu Thành 5    x  R 1  cos    1  cos 2   4  a.

Giải thích các thành phần trong công thức b. Thành lập công thức xác định vận tốc của piston. Vận tốc trung bình của pison được xác định như thế nào c. Thành lập công thức xác định gia tốc của piston 3.

Vẽ sơ đồ động học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền giao tâm tại thời điểm góc quay trục khuỷu 15 độ, cho bán kính khuỷu 150mm, chiều dài thanh truyền 500mm: a. Thành lập công thức xác định góc lắc của thanh truyền? b. Tính giá trị góc lắc thanh truyền? Bộ môn Cơ khí Ô tô, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Giáo trình: Kết cấu động cơ đốt trong. Biên soạn: ThS.

Nguyễn Lê Châu Thành 6 CHƢƠNG 2: ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU KHUỶU TRỤC THANH TRUYỀN 2. CÁC LỰC TÁC DỤNG LÊN CƠ CẤU KHUỶU TRỤC THANH TRUYỀN 2. Lực khí thể Áp suất trong buồng cháy tác dụng lên đỉnh piston sinh ra lực khí thể: .1) 4 Áp suất khí thể thường được tính bằng áp suất dư, khi đó: p kt  p  p0 (MN/m2) (2.2) pkt - Áp suất khí thể tính theo áp suất dư (MN/m ) 2 p - Áp suất khí thể trên đồ thị công (MN/m2). p0 - Áp suất khí trời (MN/m2).

Khai triển đồ thị công p - V thành p -  và nếu lấy p0 làm trục ngang của hệ toạ độ p 0 -  thì đồ thị khai triển lực khí thể sẽ là p kt = f(). Để tính lực khí thể chúng ta nhân áp suất khí thể với diện tích đỉnh piston: D 2 Pkt  p kt. Khai triển lực Pkt, Pj, P1 theo góc quay trục khuỷu 2. Lực quán tính chuyển động thẳng Các khối lượng khi dùng xác định lực quán tính thường được tính toán theo đơn vị diện 2 tích đỉnh piston do đó thứ nguyên sẽ là kg/m.

Khối lƣợng quán tính chuyển động thẳng Do khối lượng của chi tiết chuyển động thẳng dọc theo xi lanh với gia tốc j gây ra.4) Khối lượng của nhóm piston (kg): mnp = mp + mch + msm + mvh + mg (2. Khối lượng của thanh truyền: Bộ môn Cơ khí Ô tô, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Giáo trình: Kết cấu động cơ đốt trong. Biên soạn: ThS. Nguyễn Lê Châu Thành 7 Thanh truyền chuyển động song phẳng bao gồm chuyển động thẳng theo đường tâm xi lanh và chuyển động quay theo trục khuỷu.

Người ta thường thay thế khối lượng thanh truyền bằng nhiều khối lượng tương đương với điều kiện sau: Tổng khối lượng của các phần bằng khối lượng của thanh truyền.