Đồ Án Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu khí CNG cho ô tô bus 29 chỗ ngồi

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU . 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ 2
1.1. GIỚI THIỆU VỀ NHIÊN LIỆU KHÍ CNG 2
1.1.1. Khái niệm về khí thiên nhiên 2
1.1.1.1. Sự hình thành khí thiên nhiên 2
1.1.1.2. Thành phần 4
1.1.1.3. Thành phần nguyên tố và nhiệt trị thấp của các loại khí 4
1.1.2. Khí thiên nhiên nén CNG (Compressed Natural Gas) . 5
1.1.2.1. Khái niệm 5
1.1.2.2. Tính chất 5
1.1.2.3. Hệ thống nhiên liệu CNG 5
1.1.2.4. Ứng dụng . 7
1.1.2.5. So sánh tính năng của nhiên liệu CNG so với các nhiên liệu truyền thống 9
1.2. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ CNG . 10
1.2.1. giới thiệu về động cơ sử dụng nhiên liệu khí CNG . 10
1.2.2. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ CNG 12
1.2.3. Mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ sử dụng nhiên liệu khí CNG . 14
1.2.4. Khả năng áp dụng động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên CNG . 15
1.2.5. Sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên CNG cho động cơ trên xe bus . 15
1.3. XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ
THIÊN NHIÊN 16
Chương 2. TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC Ô TÔ, XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT ĐỘNG
CƠ 17
2.1. SỐ LIỆU CHO BAN ĐẦU CỦA XE . 17
2.2. LỰC CẢN CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ ƯNG VỚI TỐC ĐỘ CỰC ĐẠI: . 17
2.3. CÔNG SUẤT CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ ỨNG VỚI TỐC ĐỘ V
max
. 18
2.4. CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI YÊU CẦU CỦA ĐỘNG CƠ . 18
2.5. CHỌN ĐỘNG CƠ CÓ CÔNG SUẤT LỚN HƠN CÔNG SUẤT TÍNH TOÁN
KHOẢNG 20% 18
Chương 3: TÍNH TOÁN CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ CNG – BUS 29 . 19
3.1. CÁC THÔNG SỐ TÍNH TOÁN CỦA ĐỘNG CƠ 19
3.1.1.Thông số cho trước của động cơ : . 19
3.1.2.Thông số chọn của động cơ : 19
3.2. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH NẠP . 20
3.2.1. Tính hệ số khí sót 
r
20
Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu khí CNG cho ôtô BUS 29 chỗ ngồi
233
3.2.2. Tính hệ số nạp 20
3.2.3.Tính nhiệt độ cuối quá trình nạp T
a
(K) 20
3.2.4.Tính số mol không khí để đốt cháy một kmol nhiên liệu M
0
(kmol Kk/kmol
nhiên liệu) . 20
3.3. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH NÉN . 21
3.3.1. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của không khí
vkk
C m
(kJ/kmol.K) . 21
3.3.2. Tỷ nhiệt mol trung bình của sản phẩm cháy
//
v
C m
(kJ/kmol.K) . 21
3.3.3. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp cháy
v
C m 
(KJ/Kmol.K) . 21
3.3.4. Tính chỉ số nén đa biến trung bình n
1
22
3.3.5. Nhiệt độ cuối quá trình nén T
c
. 22
3.3.6. Áp suất cuối quá trình nén P
c
. 22
3.4. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH CHÁY 22
3.4.1. Tính số Kmol môi chất thay đổi khi cháy ΔM . 22
3.4.2. Tính số mol sản phẩm cháy M
2
[Kmol/ Kmol nhiên liệu] . 22
3.4.3. Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết
0

22
3.4.4. Hệ số biến đổi phân tử thực tế

22
3.4.5.Hệ số biến đổi phân tử
z

tại z . 22
3.4.6. Tính hệ số toả nhiệt x
z
tại z 22
3.4.7.Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn . 22
3.4.8. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình môi chất
vz
C m  
tại z 23
3.4.9. Áp suất cực đại chu trình P
z [MN/m
2
] 24
3.5. TÍNH TOÁN QÖA TRÌNH GIÃN NỞ 24
3.5.1. Tỷ số giãn nở sớm 24
3.5.2. Tỷ số giản nở sau . 24
3.5.3. Kiểm nghiệm lại trị số giãn nở đa biến trung bình n
2
24
3.5.4. Nhiệt độ cuối quá trình giản nở T
b
(K) 24
3.5.5. Áp suất cuối quá trình giãn nở p
b (MN/m
2
) . 24
3.5.6 Kiểm nghiệm lại nhiệt độ khí sót
tính r
T
[K) 24
3.6. XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 25
3.6.1. Các thông số chỉ thị 25
3.6.1.1. Áp suất chỉ thị trung bình lý thuyết (MN/m
2
) . 25
3.6.1.2. Áp suất chỉ thị trung bình thực tế (MN/m
2
) 25
3.6.1.3. Hiệu suất chỉ thị động cơ
i

25
3.6.1.4. suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị V
i (m
3
/kw.h) . 25
Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu khí CNG cho ôtô BUS 29 chỗ ngồi
234
3.6.2. Các thông số có ích 25
3.6.2.1. Tổn thất cơ giới p
m (MN/m
2
) 25
3.6.2.2 Áp suất có ích trung bình
e
p
[MN/m
2
] . 25
3.6.2.3. Hiệu suất cơ giới
m

. 25
3.6.2.4. Hiệu suất có ích η
e
. 26
3.6.2.5. Suất tiêu hao nhiên liệt có ích V
e
26
3.6.2.6. Thể tích công tác của động cơ
h
V
[lít] 26
3.6.2.7. Kiểm nghiệm đường kính xy lanh . 26
3.6.2.8. Lượng tiêu hao nhiên liệu . 26
3.6.2.9. Đường đặc tính công suất của động cơ . 26
3.6.2.10. Suất tiêu hao nhiên liệu có ích 26
3.6.2.11. Đường mô men theo công suất động cơ . 27
Chương 4: THIẾT KẾ CƠ CẤU TRỤC KHUỶU THANH TRUYỀN – 28
PISTON ĐỘNG CƠ CNG – BUS 29 28
4.1. TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU
THANH TRUYỀN . 28
4.1.1.Xây dựng đồ thị công 28
4.1.1.1.Xây dựng đường cong áp suất trên đường nén 28
4.1.1.2. Xây dựng đường cong áp suất trên đường giãn nở . 28
4.1.1.3. Tính V
z‟ Vh‟ Vc
. . 29
4.1.1.4. Lập bảng tính . 29
4.1.1.5. Xác định các điểm đặc biệt và hiệu chỉnh đồ thị công 30
4.1.1.6. Vẽ đồ thị công . 30
4.1.2. Động học và động lực học cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền 31
4.1.2.1. Xây dựng đồ thị chuyển vị piston bằng phương pháp Brick 31
Chọn tỷ lệ xích sao cho S=Vh
31
4.1.2.2. Xây dựng đồ thị vận tốc 32
4.1.2.3. Xây dựng đồ thị gia tốc theo phương pháp Tôlê 33
4.1.2.4. Xây dựng đồ thị lực quán tính P
j
. 34
4.1.3. Đồ thị khai triển . 35
4.1.3.1. Đồ thị lực khí thể P
KT
– α 35
4.1.3.2. Đồ thị lực quán tình P
j
– α . 36
4.1.3.3. Đồ thị lực tác dụng lên chốt piston P
1
– α . 36
4.1.4. Xây dựng đồ thị lực tiếp tuyến T, lực pháp tuyến Z, lực ngang N 36
4.1.5. Đồ thị ΣT – α 40
Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu khí CNG cho ôtô BUS 29 chỗ ngồi
235
4.1.6. Đồ thị phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu . 46
4.1.7. Triển khai đồ thị phụ tải ở tọa độ cực thành đồ thị Q-α . 48
4.2. THIẾT KẾ NHÓM PISTON ĐỘNG CƠ CNG - BUS 29 49
4.2.1. Nhiệm vụ của nhóm piston 49
4.2.2. Thiết kế và tính toán sơ bộ các kích thước của nhóm piston . 50
4.2.2.1. Xác định các kích thước cơ bản 50
4.2.2.2. Điều kiện tải trọng . 51
4.2.2.3. Tính bền sơ bộ đỉnh piston 52
4.2.2.4. Tính bền sơ bộ đầu piston . 52
4.2.2.5. Tính nghiệm bền thân piston . 54
4.2.3. Thiết kế sơ bộ chốt piston 54
4.2.4. Thiết kế sơ bộ xéc măng 54
4.3. THIẾT KẾ NHÓM THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ CNG - BUS 29 . 55
4.3.1. Nhiệm vụ của nhóm thanh truyền 55
4.3.2. Tính sơ bộ sức bền nhóm thanh truyền 55
4.3.2.1. Các thông số kích thước: . 55
4.3.2.2. Tính sơ bộ sức bền của đầu nhỏ thanh truyền. . 56
4.3.2.3. Tính sơ bộ sức bền thân thanh truyền . 61
4.3.2.4. Tính sơ bộ sức bền đầu to thanh truyền. . 62
4.3.3. Thiết kế sơ bộ bulông lắp đầu to thanh truyền . 64
4.4. THIẾT KẾ NHÓM TRỤC KHUỶU – BÁNH ĐÀ ĐỘNG CƠ CNG - BUS 29 . 64
4.4.1. Nhiệm vụ của trục khuỷu . 64
4.4.2. Tính bền sơ bộ trục khuỷu 65
4.4.2.1. Các kích thước chọn 65
4.4.2.2. Sơ đồ tính toán 65
4.4.2.3. Xác định các thông số ban đầu 66
4.4.2.4. Trường hợp khởi động 67
4.4.2.5. Các giá trị lực của trường hợp chịu lực pháp tuyến lớn nhất Zmax
: . 67
4.4.2.6. Các giá trị lực của trường hợp chịu lực tiếp tuyến lớn nhất Tmax
: 70
4.4.2.7. Các giá trị lực của trường hợp chịu lực ∑Tmax
: . 72
4.4.3. Thiết kế sơ bộ bánh đà . 73
Xác định mômen và kích thước cơ bản của bánh đà . 73
4.5. THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D CƠ CẤU PISTON - KHUỶU TRỤC – THANH
TRUYỀN ĐỘNG CƠ CNG - BUS 29 . 75
4.5.1. Thiết kế 3D nhóm Trục khuỷu động cơ CNG – Bus 29 . 75
4.5.2. Thiết kế 3D nhóm Piston động cơ CNG – Bus 29 . 76
Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu khí CNG cho ôtô BUS 29 chỗ ngồi
236
4.5.3. Thiết kế 3D nhóm Thanh Truyền động cơ CNG – Bus 29 . 76
4.5.4. Lắp ráp 3D cơ cấu khuỷu trục –thanh truyền - piston động cơ CNG –Bus 29 . 77
4.6. TÍNH KIỂM TRA BỀN CHI TIẾT BẰNG PHẦN MỀM CATIA 77
4.6.1. Xây dựng phần tử lưới và áp đặt điều kiện 77
4.6.1.1. Xây dựng phần tử lưới 77
4.6.1.2. Áp đặt điều kiện 78
4.6.2. Tính toán 78
4.6.2.1. Tính toán tĩnh học . 78
4.6.2.2. Xem kết quả biến dạng 79
Chương 5. THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ . 84
5.1. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ, DẪN ĐỘNG XUPÁP VÀ
TRỤC CAM ĐỂ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ: 84
5.1.1. Hệ thống phân phối khí trong động cơ bốn kỳ: . 84
5.1.2. Phương án bố trí trục cam và dẫn động trục cam: . 87
5.2. ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ: . 88
5.3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ XUPÁP: . 91
5.4. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRỤC CAM VÀ DẪN ĐỘNG: 96
5.4.1. Chọn biên dạng cam: 96
5.4.2. Phương pháp thiết kế cam: . 96
5.4.3. Xây dựng trắc diện cam . 96
5.4.4. Chọn dạng cam và xây dựng dạng cam lồi và động học con đội. 97
5.4.5. Động học con đội đáy bằng (con đội hình nấm, hình trụ) . 101
5.5. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ LÕ XO XUPÁP: 104
5.5.1. Qui dẫn khối lượng các chi tiết: . 104
5.5.2. Tính toán lò xo xupáp: . 106
5.6. TÍNH KIỂM NGHIỆM SỨC BỀN TRỤC CAM 111
5.8. TÍNH SỨC BỀN XUPÁP . 115
5.9. TÍNH BỀN CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ ĐỘNG CƠ CNG BUS 29 BẰNG
PHẦN MỀM CATIA: 116
5.9.1. Sơ đồ khối thuật toán: 116
5.9.2. Xây dựng lưới phần tử và áp đặt điều kiện biên: . 116
5.9.2.2. Áp đặt điều kiện biên 117
5.9.3. Tính toán: . 118
5.9.3.1. Tính toán tỉnh học (Computing Static Solutions) . 118
5.9.3.2. Xem kết quả biến dạng (Visualizing Deformations) . 119
5.9.3.3. Xem kết quả ứng suất hiệu dụng (Visualizing Von Mises Streeses) 119
Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu khí CNG cho ôtô BUS 29 chỗ ngồi
237
5.9.4.Kết quả tính toán: 119
6.1.1.1 Cung cấp khí CNG cho động cơ sử dụng bộ hòa trộn. 120
6.1.1.2 Cung cấp CNG cho động cơ sử dụng bộ hòa trộn kết hợp với van tiết lưu và
van công suất. . 121
6.1.1.3 Cung cấp CNG cho động cơ bằng phương pháp phun CNG trên đường nạp. . 122
6.1.1.4 Cung cấp CNG cho động cơ bằng phương pháp phun CNG trực tiếp vào
buồng cháy. 123
6.2.1 Lọc không khí . 126
6.2.2 Cơ cấu tiết lưu. 126
6.2.3 Van không tải. . 127
6.2.4.Bình chứa nhiên liệu khí CNG 127
6.2.5 Van bình chứa. 128
6.2.6 Van nạp. 129
6.2.7 Van điện từ 130
6.2.8. Bộ hoà trộn. 131
6.2.9 Van công suất. 132
6.2.10 Bộ điều áp. 133
6.3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ HÕA TRỘN. 134
6.3.1Các loại họng khuếch tán khí CNG . 134
6.3.2 Tính toán kích thước cơ bản của họng khuếch tán CNG 136
6.4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU ÁP 140
6.5 TÍNH TOÁN TIẾT LƯU TRONG MẠCH CUNG CẤP CHÍNH. . 143
6.6 TÍNH TOÁN MẠCH CÔNG SUẤT. 146
6.7 SƠ ĐỒ BỐ TRÍ LẮP ĐẶT BÌNH CHỨA NHIÊN LIÊU TRÊN XE. 146
6.8. CÁC TRIỆU CHỨNG HƯ HỎNG CỦA HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU KHÍ CNG
VÀ BIỆN PHÁP KIỂM TRA KHẮC PHỤC. . 148
Chương 7. THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÀM MÁT, BÔI TRƠN 150
7.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÀM MÁT 150
7.1.1. Mục đích và yêu cầu của hệ thống làm mát . 150
7.1.1.1 Mục đích của hệ thống làm mát . 150
7.1.1.2. Yêu cầu của hệ thống làm mát 150
7.1.2. Các phương pháp làm mát bằng nước 151
7.1.2.5. Hệ thống làm mát ở nhiệt độ cao: . 156
7.1.3. Kết cấu các cụm chi tiết chính của hệ thống làm mát bằng nước. . 158
7.1.4. Các phương án làm mát động cơ bằng không khí (gió). 170
Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu khí CNG cho ôtô BUS 29 chỗ ngồi
238
7.1.5. So sánh ưu khuyết điểm của kiểu làm mát bằng nước và kiểu làm mát bằng
không khí. . 172
7.2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BÔI TRƠN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG . 173
7.2.1. Nhiệm vụ của hệ thông bôi trơn. 173
7.2.2. Yêu cầu. 174
7.2.3.Các phương án bôi trơn trong động cơ đốt trong: . 175
7.2.4. So sánh và đánh giá các phương pháp bôi trơn. . 179
7.2.5. Kết cấu các chi tiết cụm chi tiết chính của hệ thống bôi trơn: . 181
7.3. PHƯƠNG ÁN LỰA CHỌN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÀM MÁT . 185
7.4. PHƯƠNG ÁN LỰA CHỌN THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÔI TRƠN . 187
7.5. THIẾT KẾ CÁC CỤM CHI TIẾT CHÍNH TRONG HỆ THỐNG LÀM MÁT
BẰNG NƯỚC CƯỠNG BỨC MỘT VÕNG KÍN 187
7.5.1. Thiết kế két nước 189
7.5.2. Thiết kế bơm nước . 196
7.5.3. Thiết kế quạt gió . 200
7.5.4. Xác định lượng nhiệt của két làm mát truyền ra môi trường . 203
7.6.1. Lượng nhiệt dầu mang đi. 207
7.6.2. Lượng dầu cần thiết để bôi trơn các bề mặt ma sát. . 207
7.6.3. Thiết kế bơm dầu 208
7.6.4 Thiết kế két làm mát dầu . 209
7.6.5 Tính toán lượng dàu chứa trong cacte . 211
Chương 8. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA 212
8.1. LÝ THUYẾT CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN Ô TÔ: . 212
8.1.1. Giai doạn tăng dòng sơ cấp: . 213
8.1.2. Quá trình ngắt dòng sơ cấp: . 215
8.1.3. Quá trình phóng điện ở điện cực bugi: . 217
8.2. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA: . 218
8.2.1. Hiệu điện thế thứ cấp cực đại: 218
8.2.2. Hiệu điện thế đánh lửa U
đl
: 218
8.2.3. Góc đánh lửa sớm: . 219
8.2.4. Hệ số dự trữ K
dt
: . 221
8.2.5. Năng lượng dự trữ W
dt
: 221
8.2.6. Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp: . 221
8.2.7. Tần số và chu kỳ đánh lửa: 222
8.2.8. Năng lượng tia lửa và thời gian phóng điện: . 222
8.3. CÁC LOẠI HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA: . 223
Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu khí CNG cho ôtô BUS 29 chỗ ngồi
239
8.3.1. Hệ thống đánh lửa thường: . 223
8.3.2. Hệ thống đánh lửa bán dẫn: . 223
8.3.3.Hệ thống đánh lửa điều khiển theo chương trình: . 226
TÀI LIỆU THAM KHẢO 231

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay vấn đề ô nhiễm môi trường và nguồn nhiên liệu truyền thống ngày
càng cạn kiệt nên đó là vấn đề quan trọng được cả thế giới quan tâm. Vì vậy nhiệm
vụ đặt ra cho các nhà nghiên cứu và chế tạo ô tô là làm sao cho nguồn khí thải từ xe
phát ra là nhỏ nhất và hướng tới mục tiêu tìm kiếm những nguồn năng lượng mới sử
dụng trên động cơ đốt trong. Do đó cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật
hiện đại các loại động cơ sử dụng nhiên liệu sạch được thiết kế và ngày càng được
sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới.
Nhận thấy được tầm quan trọng đó nhóm chúng em đã được thầy giao đề tài:
“Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu khí CNG cho ô tô bus 29 chỗ ngồi” và em
được giao nhiệm vụ là: “thiết kế cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền của động
cơ CNG – Bus 29”.
Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Quang Trung, các thầy
cô trong khoa cùng với việc tìm hiểu, tham khảo các tài liệu liên quan và vận dụng
các kiến thức được học, em đã cố gắng hoàn thành đề tài này. Mặc dù vậy, do kiến
thức của em còn hạn chế, thời gian không nhiều nên đồ án sẽ không tránh khỏi
những thiếu sót. Em mong các thầy cô góp ý, chỉ bảo thêm để kiến thức của em
ngày càng được hoàn thiện hơn.