Tài liệu Ứng dụng động cơ đốt trong trên xe máy

Đề tài: Ứng dụng động cơ đốt trong trên xe máy

MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Xe máy với nguồn động lực là động cơ đốt trong – là phương tiện giao thông chủ yếu ở Việt Nam. Xe máy trở thành tiện thông dụng để đi lại, chở hàng hóa của mỗi người, mỗi gia đỡnh Và không ít người đă từng đặt ra câu hỏi “ tại sao xe máy có thể chuyển động được trên đường?’’ “Khi xe chuyển động thỡ cỏc cơ cấu, hệ thống của nó hoạt động như thế nào? Cũng xuất phát từ những câu hỏi đó và cùng với mong muốn được t́m hiểu sâu hơn về xe máy, em chọn đề tài “Ứng dụng động cơ đốt trong trên xe mỏy”.
2. Mục đích nghiên cứu
· T́m hiếu về động cơ đốt trong dùng trên xe máy.
· Xây dựng mô phỏng hệ thông truyền lực trên xe máy.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu.
· Nghiên cứu tài liệu từ sách tham khảo, giáo trỡnh Về động cơ đốt trong. Ứng dụng của động cơ đốt trong trên xe máy.
· T́m hiểu thông tin về động cơ đốt trong, xe máy,
· Nghiên cứu lí luận dạy học và khai thác ứng dụng của một số phần mềm tin học và xây dựng mô phỏng của hệ thống truyền lực trên xe máy.
4. Phương pháp nghiên cứu.
· Nghiên cứu lí thuyết: t́m kiếm lựa chọn các thông tin trên báo chí tài liệu, và trờn cỏc trang web internet.
· Khảo sát thực tiễn
5. Cấu trúc khóa luận
Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục. Nội dung chính của khóa luận được chia làm 3 chương:
Chương 1: Cơ sở ứng dụng động cơ đốt trong
Chương 2: Ứng dụng động cơ đốt trong trên xe máy.
Chương 3: Xây dựng mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe máy

Chương I
NGUYÊN TẮC CHUNG VỀ ỨNG DỤNG
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

I. Vai tṛ và vị trí của động cơ đốt trong trong cuộc sống và sản xuất.
Động cơ đốt trong là nguồn động lực chủ yếu được sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, ngư nghiệp, giao thong vận tải, quân sự an ninh quốc pḥng Tổng công suất của động cơ đốt trong chiếm khoảng 95% công suất thiết bị và năng lượng do chúng tiêu thụ, chiếm khoảng 80% trên toàn thế giới, 10% do các thiết bị thuỷ điện, động cơ chạy bằng sức gió, thiết bị dung năng lượng mặt trời. C̣n lại là do các thiết bị động cơ nhiệt không phải là động cơ đốt trong.
Ngành công nghiệp chế tạo đông cơ đốt trong được coi là bộ phận quan trọng của ngành cơ khí và nền kinh tế quốc dân ở nhiều nước. Các nước đều rất coi trọng cộng tác đội ngũ chuyên gia, cán bộ kĩ thuật, công nhân lành nghề về động cơ đốt trong nhằm đáp ứng yêu cầu vê thiết kế, chế tạo, sử dụng, bảo dưỡng va sửa chữa chúng
II. Nguyên tắc chung về ứng dụng động cơ đốt trong
1. Sơ đồ ứng dụng
Khi động cơ làm việc, năng lượng của nhiên liệu được chuyển hoá thành nhiệt năng ngay ở bên trong xi lanh, sau đó chuyển sang cơ năng dưới dạng mô men xoắn tiềm tang ở đầu trục khuỷu. Nếu truyền được các mô men này cho các thiết bị th́ sẽ thực hiện công có ích. Việc truyền mô men cho các thiết bị không thể thực hiện đơn giản bằng cách nối cứng động cơ và các thiết bị đó. Muốn truyền năng lượng từ đầu trục khuỷu của động cơ -nguồn năng lượng đến các thiết bị nhận năng lượng –mỏy công tác phải sử dụng một bộ phận trung gian gọi là hệ thống truyền lực
Sơ đồ chung về ứng dụng động ơ đốt trong được mô tả như sau

Các bộ phận tạo thành tổ hợp thống nhất, mọi sự thay đổi của bộ phận này sẽ tác động đến bộ phận kia và chỳng cú những đặc điểm riêng biệt
1.1 Động cơ đốt trong
1.1.1 Đặc điểm động cơ trong động cơ đốt trong
Trong thực tế sử dụng nhiều loại động cơ đốt trong có nhiều ưu điển so với động cơ khỏc nờn nó được sử dụng rộng răi, trong đó cú cỏc loại động cơ xăng và diezen hai ḱ hoặc bốn ḱ
Hiệu suất của động cơ là rất cao hiệu suất có ích khoảng 40-45% trong khi hiệu suất của máy hơi nước không vượt quá 16 % và các động cơ nhiệt khác thường thấp hơn 30%.
Kích thước tương đối nhỏ gọn và suất trọng lượng mă lực không lớn lắm v́ toàn bộ chu tŕnh công tác của nó được thực hiện trong một thiết bị duy nhất
Khởi động nhanh và sấy nóng không lâu nờn khụng mất nhiều thời gian chết để chờ cho máy hoạt động. Khi vận hành ít có khả năng gây hoả hoạn, có độ an toàn và tin cậy cao
ĐCĐT có dải công suất rộng từ vài mă lực đến hàng vạn mă lực. Tốc độ quay của chúng được phân bố trong dải khoảng rộng: từ tốc độ quay thấp 80-100 vũng /phỳt cho đến tốc độ cao có khi đến 10000 vũng /phút
Phương án làm mát động cơ đốt trong cũng rất đa dạng, từ làm mát bằng không khí, làm mát cưỡng bức bằng nước tuần hoàn kín một ṿng, đến làm mát bằng nước hai ṿng
Phương án bôi trơn động cơ phần lớn theo nguyên tắc cưỡng bức có bơm dầu. Nhờ vậy mà dầu bôi trơn có thể đến từng vị trí, từng chi tiết cần thiết đặc biệt là vị trí có khe hở rất nhỏ và xa
Nhiên liệu sử dụng trong động cơ đốt trong rất đa dạng, có thể ở dạng lỏng dạng khí. Tuỳ thuộc vào loại động cơ và nhiên liệu được sử dụng, hệ thống phải đáp ứng phù hợp với yêu cầu cung cấp nhiên liệu. Nguyên tắc chung về cách tạo hoà khí có thể chia làm hai loại hệ thống:hệ thống nhiên liệu dung Cacbuaratơ và hệ thống nhiên liệu bằng cách phun nhiên liệu
Động cơ có Cacbuaratơ thường sử dụng là nhiên liệu nhẹ như xăng khớ ga cỏch tạo hoà khí này không thể áp dụng với nhiên liệu nặng v́ khi phun nhiên liệu nặng từ ống phun vào họng khuếch tán của Cacbuarato sẽ rất khó bốc hơi, trong ḍng không khí sẽ chuyển động những dây nhiên liệu, chúng có cơ hội liên kết với nhau tạo thành cụm nhiên liệu.
Động cơ có ṿi phun nhiên liệu thường được sử dụng trong động cơ điezen. Nhiên liệu được phun tơi dưới dạng sương mự,bốc hơi,phơn bố đều và trao đổi nhiệt ở thời gian cháy trễ cuối quá tŕnh nén, sau đó tự bốc cháy với áp suất và nhiệt độ cao
ĐCĐT có khả năng hoạt động trong môi trường rất rộng và đa dạng từ vựng cú nhiệt độ thấp đến vùng nhiệt đới gió mùa như Việt Nam và cả những nước vựng xớch đạo,trong bất ḱ điều kiện nào ĐCĐT vẫn hoạt động b́nh thường, phát huy công suất với hiệu suất kinh tế cao
Mức độc hại của khí thải động cơ đốt trong với môi trường nói chung là rất cao, trong đó động cơ pittụng quay có mức độ ô nhiễm trầm trọng nhất. Đây là một trong những nguyên nhân khiến cho động cơ pittụng quay ít được sử dụng trong đời sống và sản xuất
ĐCĐT kiểu pittụng là động cơ không cân bằng tuyệt đối. Từ chỗ mất cân bằng đó khi động cơ làm việc, bản thân nó cú độ rung lớn có thể kéo theo sự rung động của máy công tác cũng như hệ thống truyền lực, do vậy làm mất độ ổn định, độ tin cậy của tổ hợp nói chung. Để giảm bớt ảnh hưởng của rung động này nên lắp động cơ trờn cỏc bộ giảm chấn bằng ḷ xo, đệm cao su hay các gối bằng khí nén
Tiếng ồn phát ra từ động cơ do đốt cháy nhiên liệu rung động hay chuyển động của dũng khớ trong ống nạp hay khí xả trong đường thải cũng là đặc điểm của ĐCĐT
Để đưa động cơ cũng như toàn bộ tổ hợp vào hoạt động cần thiết phải cấp cho động cơ số ṿng quay tối thiểu ban đầu. Có nhiều cách khởi động khác nhau như bằng tay, động cơ phụ, bằng điện, bằng khí nén. Tuy nhiên mỗi phương pháp có những ưu nhược điểm khác nhau cần lưa chọn phương án tối ưu nhất
ĐCĐT là thiết bị cơ khí, trong đó có nhiều bộ phận được tự động hóa nhằm điều khiển các thông số kĩ thuật của chúng. ĐCĐT được coi như một đối tượng điều khiển của tự đụng hoỏ đặc biệt là điều khiển từ xa.Như vậy khi ứng dụng ĐCĐT cần chú ư lựa chọn mức độ tự động hoá.
Động cơ lắp trờn các thiết bị vận tải đường bộ thường phải làm việc trong điều kiện thay đổi lớn cả về công suất lẫn số ṿng quay. Thông thường giữa số ṿng quay và công suất không phụ thuộc vào nhau. Tổ hợp động cơ, máy công tác, hệ thống truyền lực làm việc trong điều kiện cụ thể khác nhau, ở các chế độ khác nhau, ở các chế độ khác nhau trong suốt quá tŕnh vận hành. Như vậy về mặt cấu tạo, nguyờn lớ cỏc bố trí của chúng phải phù hợp với điều kiện và các chế độ làm việc, khi đó tổ hợp mới thực hiện đúng chức năng của ḿnh.
1.1.2 Các đường đặc tính của động cơ đốt trong
a. Các chế độ làm việc của đông cơ
Các chế độ làm việc của ĐCĐT được đặc trưng bởi một tổ hợp những thông số máy công tác chủ yếu của động cơ như: phụ tải, số ṿng quay, trạng thái nhiệt Chế độ làm việc luôn luôn thay đổi theo đặc điểm sử dụng động cơ.
Yếu tố chính thể hiện công của động cơ dẫn động các loại máy công tác là công có ích N­[SUB]e [/SUB](kw) được tính theo mụmen có ích (kN.m) và tốc độ quay của trục khuỷu n (vũng /phỳt)

N[SUB]e[/SUB] = M[SUB]e[/SUB].ω =M[SUB]e[/SUB]. 2Π /60 = 0,1047M[SUB]e[/SUB]. n

H́nh 1: Đường đặc tính của động cơ và máy công tác.
Trong suốt quá tŕnh làm việc phụ tải và tốc độ của động cơ luôn luôn thay đổi theo nhu cầu của máy công tác:
Tốc độ nhỏ nhất, phụ thuộc vào điều kiện làm việc ổn định của động cơ.Tốc độ cho phép lớn nhất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: các điều kiện đảm bảo chu tŕnh công tác và ứng suất nhiệt của các chi tiết, mức giảm của hệ số nạp và nhiều yếu tố khác gây ảnh hưởng xấu tới chu tŕnh công tác, tuổi thọ và độ tin cậy của động cơ
Động cơ có thể hoạt động tốt trong phạm vi tốc độ từ nhỏ nhất đến tốc độ lớn nhất cho phép. Ở mỗi tốc độ n, mụmen hoặc công suất có thể thay đổi từ không (chế độ không tải) tới giá trị lớn nhất tương ứng với tốc độ ấy. Như vậy tổng hợp mọi chế độ có thể làm việc của động cơ trên đồ thị M[SUB]e[/SUB](n) hoặc N[SUB]e[/SUB](n) sẽ là diện tích đồ thị giới hạn bởi bốn đường: hai đường song song với tung độ đi qua n[SUB]min[/SUB] (số ṿng quay nhỏ nhất) và n[SUB]max[/SUB] (số ṿng quay lớn nhất), bản thân trục hoành và đường a nối các điểm có công suất hoặc mụmen cực đại tương ứng với các chế độ làm việc
Trờn h́nh 1 giới thiệu hàm N[SUB]e[/SUB] = f(n) thể hiện trờn cỏc đường từ 1 đến 4, mỗi đường tương ứng với một vị trí của cơ cấu điều khiển động cơ (vị trí bướm ga hoặc thanh răng bơm cao áp). Biến thiên về công suất của máy công tác N[SUB]c[/SUB] cũng là hàm của tốc độ quay n: N[SUB]c [/SUB]= f(n).Cỏc đường I IV (h́nh 1) thể hiện biến thiên theo hàm N[SUB]c [/SUB]theo n với các mức cản khác nhau
Nếu động cơ hoạt động ở một chế độ mà các thông số công tác (công suất, mụmen, số ṿng quay, trạng thái nhiệt) không thể thay đổi theo thời gian, ta nói: động cơ hoạt động ở chế độ ổn định.Chế độ ổn định chỉ tồn tại khi công suất có ích của động cơ N[SUB]e [/SUB]bằng công suất của máy công tác, khi không thay đổi cơ cấu điều khiển động cơ cũng như mức cản của máy công tác. Nếu nối liền trục khuỷu của máy công tác với trục quay của động cơ th́ số ṿng quay của máy công tác bằng số ṿng quay của động cơ, lúc ấy muốn xác định chế độ hoạt động của động cơ chỉ cần đặt các đồ thị của động cơ lên cùng một bản vẽ. Điểm cắt của đặc tính động cơ và đặc tính của máy công tác a, ,c đều là các chế độ ổn định của hệ thống động cơ và máy công tác.
Nếu như xem xét đường 2 của động cơ và đường II của máy công tác cắt nhau tại a, th́ điểm a sẽ là chế độ ; làm việc ổn định của cả hệ thống động cơ và máy công tác.
Khi thay đổi điều kiện làm việc của máy công tác sẽ làm thay đổi đường đặc tính về công suất tiêu thụ cho máy công tác N[SUB]ct[/SUB].Khi đó công suất tiêu thụ động cơ của động cơ cũng thay đổi để đảm bảo tính tương thích
Nếu giảm phụ tải, công suất tiêu thụ cho máy công tác từ điểm a đến điểm b (đường III) ở số ṿng quay n[SUB]1[/SUB] công suất động cơ sẽ lớn hơn công suất của máy công tác một giá trị ab, làm cho cân bằng về năng lượng tại số ṿng quay ổn định n[SUB]1[/SUB] bị phá vỡ.Phần công suất dư ab sẽ được dùng để tăng tốc độ quay của hệ thống cho tới lúc cân bằng về năng lượng được hồi phục tức là đạt tới chế độ ổn định (điểm c)
Nếu thay đổi cơ cấu điều khiển động cơ (bướm ga hoặc thanh răng bơm cao áp) khi giữ nguyên phụ tải của máy công tác th́ quá tŕnh chuyển biến về chế độ làm việc ổn định của hệ thống cũng tương tự như trên. Như vậy bất ḱ thay đổi nào dẫn đến thay đổi công suất của động cơ hoặc cộng suất máy công tác đều tạo ra chế độ ổn định mới nhưng công suất và tốc độ quay khác so với chế độ ổn định cũ
Trong trường hợp (như động cơ quay máy phát điện, máy nén khí máy bơm nước ) đ̣i hỏi động cơ làm việc ở tốc độ quay nhất định và không đổi. Muốn vậy cần phải thay đổi vị trí cơ cấu điều khiển động cơ khi tải trọng thay đổi. Muốn thực hiện yêu cầu đó người ta lắp trên động cơ một bộ điều tốc, nếu tốc độ thay đổi th́ bộ điều tốc tác động lên cơ cấu điều khiển làm cho động cơ vẫn quay ở tốc độ cũ. Điều kiện làm việc như vậy của động cơ gọi là điều kiện tĩnh tại. Trong điều kiện tĩnh tại, khi thay đổi tải, tốc độ quay của động cơ cũng biến động trong một giối hạn nhỏ và người ta đă dung hệ số không đồng đều của bộ điều tốc để đánh giá mức độ dao động quay thực tế so với tốc độ quay trung b́nh của động cơ
Giới hạn các chế độ làm việc của động cơ biểu thị trên h́nh vẽ. Trong đó trục tung biểu thị là công suất tương đối

H́nh 2: các chế độ làm việc của động cơ
b. Các đường đặc tính
Người ta dùng đặc tính để đánh giá các chỉ tiêu kĩ thuật của động cơ, hoạt động trong các điều kiện khác nhau. Đặc tính của động cơ là hàm số thể hiện sự thay đổi các chỉ tiêu công tác chính theo chỉ tiêu công tác khác hoặc theo nhân tố nào đó có ảnh hưởng trực tiếp đến chu tŕnh công tác.
Các đặc tính sử dụng nhiều trong động cơ gồm có
-Đặc tính tốc độ (gồm có đặc tính ngoài và đặc tính bộ phận)
-Đặc tính tải
-Đặc tính tổng hợp
-Đặc tính không tải
-Đặc tính điều tốc
-Đặc tính chân vịt
-Đặc tính điều chỉnh
Các đường đặc tính tổng hợp, không tải, chân vịt, chỉ là các trường hợp đặc biệt của đặc tính tốc độ
b.1 Đặc tính tốc độ
Đặc tính tốc độ là đồ thị biểu diễn mối quan hệ của các chỉ tiêu hiệu dụng cơ bản: công suất N[SUB]e[/SUB], mụmen quay M[SUB]e[/SUB], chi phí nhiên liệu G[SUB]t[/SUB] và chi phí nhiên liệu riêng g[SUB]e[/SUB] vào tần số quay ở trạng thái van tiết lưu hay tay thước nhiên liệu không đổi và trạng thái nhiệt ổn định. Có thể nhận được các đặc tính tốc độ ở các vị trí van tiết lưu hay tay thước nhiên liệu khác nhau, nhưng không đổi đối với mỗi đặc tính
Đặc tính tốc độ nhận được khi van tiết lưu mở hoàn toàn cung cấp nhiên liệu hoàn toàn gọi là đặc tính tốc độ ngoài (h́nh vẽ đặc tính tốc độ của động cơ chế hoà khí và của động cơ điezen)

H́nh 3: đặc tính tốc độ ngoài của động cơ xăng

H́nh 4: đặc tính tốc độ ngoài của động cơ điezen
Các đặc tính khi van tiết lưu mở không hoàn toàn hoặc cung cấp nhiên liệu không hoàn toàn gọi là đặc tính tốc độ riờng phần.Trờn đặc tính biểu diễn các tần số quay đặc trưng sau: n[SUB]min[/SUB] tương ứng giá trị c̣n có thể làm việc ổn định khi cung cấp hoàn toàn, n[SUB]M[/SUB] -tần số quay tương ứng mụmen quay lớn nhất, n[SUB]max[/SUB] tương ứng với giá trị hạn chế hoặc điều chỉnh, n[SUB]M[/SUB]tương ứng với công suất lớn nhất
Động cơ điezen phần lớn làm việc với tải trọng gần cực đại, máy điều chỉnh sao cho giá trị tần số quay lớn nhất không vượt quá tần số quay tương ứng cộng suất cực đại có thể theo đặc tính ngoài (n[SUB]max[/SUB] ~ n[SUB]N[/SUB])
Động cơ chế hoà khí làm việc cơ bản ở tải trọng không hoàn toàn để sử dụng tốc độ của động cơ. Bộ hạn chế tốc độ cực đại giới hạn ở tần số vượt quá 20% tần số quay tương ứng với công suất lớn nhất (n[SUB]max[/SUB] ≈ 1,2n[SUB]N[/SUB])
Từ các đường biểu diễn của đặc tính tốc độ thấy rằng đường cong công suất cs điểm cực đại, N[SUB]emax[/SUB] nằm ở chơ khi mà ảnh hưởng của tần số quay làm tăng công suất được bù vào bởi sự giảm áp suất p[SUB]c[/SUB] do giảm hệ số nạp và tăng hao tổn cơ học
Đặc tính tốc độ được xây dựng theo kết quả thí nghiệm. Đặc tính tốc độ ngoài của động cơ thiết kế cũng có thể xây dựng theo công thức thực nghiệm
Đối với động cơ chế hoà khí:
N[SUB]e[/SUB] = N[SUB]emax[/SUB]
Đối với động cơ diờzen 1 buồng đốt:
N[SUB]e [/SUB]= N[SUB]emax[/SUB]
Đối với động cơ điờzen buồng trước:
N[SUB]e[/SUB] = N[SUB]emax[/SUB]
Đối với động cơ điờzen buồng xoáy:
N[SUB]e[/SUB] = N[SUB]emax[/SUB]
Từ quan hệ N[SUB]e[/SUB]=f(n) dễ dàng xây dựng quan hệ M[SUB]e[/SUB]=f(n) theo
M[SUB]e[/SUB]=9550
Giảm mụmen quay từ giá trị cực đại khi tăng dần tần số quay ảnh hưởng đến tính ổn định chế độ tốc độ quay của động cơ.Trờn đồ thị công suất động cơ cực đại khi mụmen quay c̣n nhỏ hơn giá trị cực đại.Tuy nhiờn mụmen này đă đủ để khắc phục mụmen cản nếu động cơ có chế độ ổn định
Do đó động cơ có dự trữ momen quay bằng hiệu của M[SUB]emax[/SUB] với mụmen cản ở chế độ tốc độ đă cho. Tính ổn định của chế độ tốc độ được đánh giá bởi hệ số thích ứng k
K = M[SUB]emax[/SUB] /M[SUB]eN[/SUB]
Đối với động cơ chế hoà khí k = 1.25ữ1.35
Đối với động cơ diezen k = 1.05 ữ1.15
Hệ số thích ứng đặc trưng cho khả năng khắc phục quá tải mà không cần sang số
Đặc tính G[SUB]t[/SUB] va g[SUB]e[/SUB] để đánh giá tính tiết kiệm của động cơ khi làm việc ở các chế độ tốc độ khác nhau
Chi phí nhiên liệu G[SUB]t[/SUB] khi độ mở van tiết lưu không đổi phụ thuộc chủ yếu vào tần số quay cũng như hệ số nạp. Do đó khi n, G[SUB]t [/SUB]tăn gần như đường thẳng lúc đầu và sau đó có ảnh hưởng của hệ số nạp mức độ tăng G[SUB]t[/SUB] giảm đi. Chi phí nhiên liệu riêng g[SUB]e[/SUB] được xác định trên cơ sở tính toán nhiệt ở các chế độ tốc độ khác nhau
Đối với động cơ ché hoà khí
g[SUB]e[/SUB]=g[SUB]eN[/SUB]
Đối với động cơ điờzen
[SUB]- [/SUB]một buồng đốt: g[SUB]e[/SUB]=g[SUB]eN[/SUB]
- buồng trước: g[SUB]e[/SUB]=g[SUB]eN[/SUB]
buụng xoáy: g[SUB]e[/SUB]=g[SUB]eN[/SUB]
b.2 Đặc tính tải trọng
Để phân tích tính tiết kiệm của đông cơ khi làm việc với tải trọng khác nhau, người ta dung đặc tính tải trọng, là sự phụ thuộc của chi phí nhiên liệu g[SUB]e [/SUB]và G[SUB]t [/SUB]và công suất động cơ ở các tần số quay không đổi. Đặc tính tải trọng của động cơ chế hoà khí được gọi là đặc tính tiết lưu, biểu diễn sự thay công suất đạt được khi thay đổi vị trí van tiết lưu. Để đánh giá tính tiết kiệm trong khoảng rộng tần số quay sử dụng một số đặc tính tải trọng đối với các tần số quay khác nhau