Bài giảng Kỹ thuật động cơ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BÀI GIẢNG HỌC PHẦN: KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ SỐ TÍN CHỈ: 03 LOẠI HÌNH ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ Hưng Yên - 2015 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG HỌC PHẦN: KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ Ô TÔ SỐ TÍN CHỈ: 03 LOẠI HÌNH ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ Hưng Yên, năm 2015 1 CHƢƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1. Động cơ đốt trong Động cơ đốt trong là một trong các loại động cơ nhiệt, biến đổi nhiệt năng của nhiên liệu thành cơ năng. Động cơ nhiệt hoạt động với hai quá trình cơ bản như sau: - Đốt cháy nhiên liệu, giải phóng hóa năng thành nhiệt năng và gia nhiệt cho môi chất công tác. Trong giai đoạn này xảy ra các hiện tượng lý hoá rất phức tạp. - Biến đổi trạng thái của môi chất công tác, hay nói cách khác, môi chất công tác thực hiện chu trình nhiệt động để biến đổi một phần nhiệt năng thành cơ năng. Trên cơ sở đó có thể phân loại động cơ nhiệt thành hai loại chính là động cơ đốt ngoài và động cơ đốt trong. Ở động cơ đốt ngoài, ví dụ máy hơi nước cổ điển trên tàu hỏa, hai giai đoạn trên xảy ra ở hai nơi khác nhau. Giai đoạn thứ nhất xảy ra tại buồng đốt và nồi xúp-de, kết quả được hơi nước có áp suất và nhiệt độ cao. Còn giai đoạn thứ hai là quá trình giãn nở của hơi nước trong buồng công tác và sinh công làm quay bánh xe. Ở động cơ đốt trong, hai giai đoạn trên diễn ra tại cùng một vị trí, đó là bên trong buồng công tác của động cơ. Hai loại động cơ nói trên đều có hai kiểu kết cấu, đó là động cơ kiểu pít tông và kiểu tuabin theo sơ đồ dưới đây, hình 1-1. Hình 1-1. Động cơ đốt trong thuộc họ động cơ nhiệt Do giới hạn của giáo trình, chúng ta chỉ xét động cơ đốt trong kiểu pít tông và từ đây gọi vắn tắt là động cơ đốt trong (ĐCĐT). Trong thực tế, động cơ kiểu tuabin là đối tượng khảo sát của chuyên ngành máy tuabin. Động cơ nhiệt Động cơ đốt ngoài Động cơ đốt trong Kiểu pít tông iston Kiểu tuabin Kiểu pít tông Kiểu tuabin Kiểu rô to 2 1.2. So sánh động cơ đốt trong với các loại động cơ nhiệt khác Ƣu điểm Nhƣợc điểm - Hiệu suất có ích e lớn nhất, có thể đạt tới 50% hoặc hơn nữa. Trong khi đó, máy hơi nước cổ điển kiểu pít tông chỉ đạt khoảng 16%, tuabin hơi nước từ 22 đến 28%, còn tuabin khí cũng chỉ tới 30%. - Kích thước và trọng lượng nhỏ, công suất riêng lớn. Do đó, động cơ đốt trong rất thích hợp cho các phương tiện vận tải với bán kính hoạt động rộng. - Khởi động, vận hành và chăm sóc động cơ thuận tiện, dễ dàng. - Khả năng quá tải kém, cụ thể không quá 10% trong 1 giờ. - Tại chế độ tốc độ vòng quay nhỏ, mô men sinh ra không lớn. Do đó, động cơ không thể khởi động được khi có tải và phải có hệ thống khởi động riêng. - Công suất cực đại không lớn. Ví dụ, một trong những động cơ lớn nhất thế giới là động cơ của hãng MAN B&W có công suất 68.520 kW (số liệu 1997), trong khi tuabin hơi bình thường cũng có công suất tới vài chục vạn kW. - Cấu tạo phức tạp, giá thành chế tạo cao. - Nhiên liệu cần có những yêu cầu khắt khe như hàm lượng tạp chất thấp, tính chống kích nổ cao, tính tự cháy cao... nên giá thành cao. Mặt khác, nguồn nhiên liệu chính là dầu mỏ ngày một cạn dần. Theo dự đoán, trữ lượng dầu mỏ chỉ đủ dùng cho đến giữa thế kỷ 21. - Ô nhiễm môi trường do khí thải và ồn. 1.3. Phân loại động cơ đốt trong §éng c¬ ®èt trong cã thÓ ®-îc ph©n lo¹i theo nhiÒu tiªu chÝ kh¸c nhau: Tiêu chí phân loại Các loại động cơ Theo cách thực hiện chu trình công tác Động cơ bốn kỳ: Là động cơ có chu trình công tác thực hiện sau bốn hành trình của pít tông hay hai vòng quay của trục khuỷu. Động cơ hai kỳ: Là động có chu trình công tác thực hiện sau hai hành trình của pít tông hay một vòng quay của trục khuỷu. Động cơ nhiên liệu lỏng: như xăng, điêzen (diesel), cồn pha xăng 3 Theo nhiên liệu hoặc điêzen (diesel), dầu thực vật... Động cơ nhiên liệu khí: Nhiên liệu khí bao gồm: khí thiên nhiên (Compressed Natural Gas - CNG), khí hoá lỏng (Liquidfied Petroleum Gas - LPG), khí lò ga, khí sinh vật (Biogas)... Động cơ nhiên liệu kép (Dual Fuel) ví dụ như động cơ gas+ xăng, ga + điêzen (diesel) Động cơ đa nhiên liệu (Multi Fuel) như động cơ có thể dùng được cả điêzen (diesel) và xăng, hoặc động cơ dùng cả xăng và khí đốt. Theo phương pháp hình thành khí hỗn hợp Hình thành hỗn hợp bên ngoài xy lanh như động cơ xăng dùng bộ chế hòa khí hoặc hệ thống phun xăng gián tiếp (phun vào đường nạp). Hình thành hỗn hợp bên trong xy lanh như động cơ điêzen (diesel) hay động cơ phun xăng trực tiếp (Gasoline Direct Injection - GDI) vào xy lanh. Theo phương pháp đốt cháy hỗn hợp Động cơ đốt cháy cưỡng bức như động cơ xăng. Động cơ cháy do nén như động cơ điêzen (diesel). Theo phương pháp nạp Động cơ không tăng áp: không khí hay hỗn hợp được hút vào xy lanh bởi sự chênh áp giữa đường nạp và xy lanh. Động cơ tăng áp: không khí hay hỗn hợp được nén trước khi nạp vào xy lanh. Theo tốc độ trung bình của pít tông Gọi tốc độ trung bình của pít tông là cm. Dễ dàng tính được 30 n.S cm  (m/s) với S là hành trình pít tông (m) và n là tốc độ vòng quay của trục khuỷu (v/ph). Theo cm người ta phân loại động cơ như sau: Động cơ tốc độ thấp 3,5 m/s  cm  6,5 m/s Động cơ tốc độ trung bình 6,5 m/s  cm  9 m/s Động cơ cao tốc cm  9 m/s Theo dạng chuyển động của pít tông Động cơ pít tông tịnh tiến thường gọi ngắn gọn là động cơ pít tông. Đa số động cơ đốt trong là động cơ pít tông. 4 Động cơ pít tông quay hay động cơ rôto do Wankel phát minh năm 1954 nên còn gọi là động cơ Wankel. Theo cách bố trí xy lanh Thứ tự bố trí xy lanh Động cơ thẳng hàng Động cơ chữ V Động cơ đối đỉnh Động cơ hình sao Hình 1-2: Động cơ thằng hàng Hình 1-3: Động cơ chữ V Hình 1-4: Động cơ đối đỉnh Hình 1-5: Động cơ hình sao 5 1.4. Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong loại trục khuỷu – thanh truyền 1.4.1. Sơ đồ nguyên lý và cấu trúc cơ bản Cấu tạo của động cơ đốt trong bao gồm: a. Cơ cấu sinh lực gồm: 1. Bộ hơi: Xy lanh, cụm pít tông, nắp máy 2. Bộ phận chuyển động và dự trữ năng lượng: Trục khuỷu, thanh truyền, bánh đà. b. Các hệ thống và cơ cấu khác: 1. Cơ cấu phối khí: Cụm xuppap hút và xả, trục cam, cơ cấu dẫn động trục cam. 2. Hệ thống bôi trơn: Cácte dầu, bơm dầu, lọc dầu, các tuyến dầu, két làm mát dầu 3. Hệ thống làm mát: Két nước, bơm nước, áo nước, van hằng nhiệt, đường ống nước 4. Hệ thống cung cấp nhiên liệu: Hệ thống nhiên liệu dùng chế hòa khí hoặc phun xăng, hệ thống nhiên liệu đông cơ điêzen (diesel). 5. Hệ thống điện động cơ: Hệ thống khởi động, hệ thống cung cấp điện Cấu trúc cơ bản Lƣợc đồ Hình 1-6: Cấu trúc động cơ 4 kỳ 1. Trục khuỷu 2. Thanh truyền 3. Xy lanh 4. Pít tông 5. Xuppap nap 6. Họng hút 7.Trục cam nạp 8.Trục cam xả 9. Xuppap xả 10.Nắp máy 11. Đường ống xả 1 2 3 456 §CT §CD S D Hình 1-7: Lược đồ động cơ bốn kỳ 1. Trục khuỷu 2. Thanh truyền, 3. Piston 4. Xuppáp thải(xả) 5. Vòi phun (động cơ diesel) hay bugi (động cơ xăng), 6. Xuppáp nạp ĐCT. Điểm chết trên ĐCD. Điểm chết dưới S. Hành trình piston D. Đường kính xy lanh 6 1.4.2. Các khái niệm và thông số cơ bản của động cơ đốt trong Dựa vào lược đồ hình 1-7. Ta có thể đưa ra một số khái niệm cơ bản sau: Quá trình công tác là tổng hợp tất cả biến đổi của môi chất công tác xảy ra trong xy lanh của động cơ và trong các hệ thống gắn liền với xy lanh như hệ thống nạp - thải. Chu trình công tác là tập hợp những biến đổi của môi chất công tác xảy ra bên trong xy lanh của động cơ và diễn ra trong một chu kì. Kỳ là một phần của chu trình công tác xảy ra khi pít tông dịch chuyển một hành trình. Điểm chết: Trong hoạt động của cơ cấu sinh lực có hai khái niệm điểm chết: điểm chết của pít tông và điểm chết của trục khuỷu. Điểm chết của pít tông là điểm mà tại đó pít tông có vận tốc bằng 0, hoặc diễn giải theo một cách khác: là điểm pít tông ở vị trí cao nhất hoặc thấp nhất trong lòng xy lanh. Như vậy pít tông có 2 điểm chết (hình 1.8) là điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dưới (ĐCD). Điểm chết trên của pít tông là điểm mà pít tông cách xa đường tâm trục khuỷu nhất. Điểm chết dưới của pít tông là điểm mà pít tông cách tâm trục khuỷu một khoảng ngắn nhất. Điểm chêt của trục khuỷu cũng có hai vị trí là điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dưới (ĐCD), là các điểm mà tại đó đường tâm của má khuỷu trùng với đường tâm của thanh truyền. Hành trình pít tông (S): Là khoảng cách giữa hai điểm chết (m). Thể tích công tác Vh là khoảng không gian trong lòng xilanh được tính từ mặt đỉnh pít tông ở ĐCD tới mặt đỉnh pít tông ở ĐCT. Thể tích buồng cháy Vc là khoảng không gian trong lòng xilanh được tính từ mặt đỉnh pít tông ở ĐCT tới bề mặt của vòm nắp máy bao kín phía trên xy lanh. Thể tích toàn phần Va là khoảng không gian trong lòng xilanh được tính từ mặt đỉnh pít tông ở ĐCD tới bề mặt của vòm nắp máy bao kín phía trên xy lanh . Hình 1-8: Các vị trí điểm chết của ĐCĐT 7 Tỷ số nén  là tỷ số giữa thể tích lớn nhất( thể tích toàn phần Va) và thể tích nhỏ nhất (thể tích buồng cháy Vc ): c h c ch min max V V 1 V VV V V    (1.1) 1.4.3. Nguyên lí làm việc của động cơ xăng 1 xy lanh Động cơ bốn kỳ có chu trình công tác được thực hiện sau bốn hành trình của pít tông hay hai vòng quay của trục khuỷu. Hành trình thứ nhất: hành trình nạp( HÚT), hình 1-10 Pít tông đi từ ĐCT xuống ĐCD tạo nên độ chân không trong xy lanh. Hoà khí từ đường nạp gọi là khí nạp mới được hút vào xy lanh qua xuppáp nạp đang mở và hoà trộn với khí sót của chu trình trước tạo thành hỗn hợp công tác. Xuppáp nạp mở sớm một góc là 1 tại điểm d1 trước khi pít tông đến ĐCD để tăng tiết diện lưu thông của dòng khí nạp. Hình 1-9: Đồ thị mô tả các quá trình làm việc của động cơ bốn kỳ không tăng áp a. Đồ thị công b. Đồ thị pha Hình 1-12: Hành trình cháy trong động cơ xăng Hình 1-13: Hành trình xả trong động cơ xăng Hình 1-10. Hành trình nạp của động cơ xăng Hình 1-11: Hành trình nén trong động cơ xăng 8 Hành trình thứ hai: hành trình NÉN , hình 1-11 Pít tông đi từ ĐCD lên ĐCT. Xuppáp nạp đóng muộn một góc 2 tại điểm d2 trước ĐCT nhằm tận dụng quán tính của dòng khí nạp để nạp thêm. Hỗn hợp công tác bị nén khi hai xuppáp cùng đóng dẫn tới tăng áp suất và nhiệt độ trong xy lanh. Tại điểm c’ gần ĐCT tương ứng với góc s, bugi bật tia lửa điện. Góc s được gọi là góc đánh lửa sớm. Sau một thời gian chuẩn bị rất ngắn, quá trình cháy thực sự diễn ra làm cho áp suất và nhiệt độ trong xy lanh tăng lên rất nhanh. Hành trình thứ ba: hành trình cháy- giãn nở (NỔ ), hình 1-12 Pít tông đi từ ĐCT xuống ĐCD. Sau ĐCT, quá trình cháy tiếp tục diễn ra nên áp suất và nhiệt độ tiếp tục tăng, sau đó giảm do thể tích xy lanh tăng nhanh. Khí cháy giãn nở sinh công. Gần cuối hành trình, xuppáp thải mở sớm một góc 3 tại điểm b’ để thải tự do một lượng đáng kể sản vật cháy ra khỏi xy lanh vào đường thải. Hành trình thứ tƣ: hành trình thải (XẢ), hình 1-13 Pít tông đi từ ĐCD lên ĐCT, sản vật cháy bị thải cưỡng bức do pít tông đẩy ra khỏi xy lanh. Để tận dụng quán tính của dòng khí nhằm thải sạch thêm, xuppáp thải đóng muộn sau ĐCT một góc 4 ở hành trình nạp của chu trình tiếp theo. 1.4.4. Nguyên lí làm việc của động cơ điêzen (diesel) 1 xy lanh Nguyên lý làm việc của động cơ điêzen (diesel) 4 kỳ cũng tương tự như động cơ xăng , gồm các kỳ HÚT-NÉN-NỔ-XẢ, nhưng có một số nét khác biệt: Hành trình nạp( HÚT) , hình 1-14 Pít tông đi từ ĐCT xuống ĐCD, xuppap nạp mở, xuppap thải đóng. Không khí được hút vào trong xy lanh qua xuppap nạp. Xuppap nạp mở sớm một góc 1 trước ĐCT để tăng lượng không khí nạp vào xy lanh. Hình 1-14: Hành trình hút trong động cơ diesel Hình 1-15: Hành trình nén trong động cơ diesel Hình 1-17: Hành trình xả trong động cơ diesel Hình 1-16: Hành trình cháy động cơ diesel 9 Hành trình NẾN ,hình 1-15 Pít tông đi từ ĐCD lên ĐCT, các xuppap đóng kín, không khí trong xy lanh bị nén lại tới nhiệt độ và áp suất cao, nhiệt độ buồng cháy động cơ điêzen (diesel) lúc này khoảng 500- 8000C. Cuối hành trình nén, vòi phun phun nhiên liệu vào trong buồng cháy của động . Hành trình cháy- giãn nở ( NỔ), hình 1-16 Nhiên liệu (dầu điêzen (diesel)) áp suất cao(115kg/cm2- 1900kg/cm2) phun vào không khí được nén đến áp suất và nhiệt độ cao trong buồng cháy nên tự bốc cháy. Quá trình cháy sinh công đẩy pít tông đi xuống ĐCD. Cuối hành trình cháy, xuppap thải mở sớm một góc 2 trước ĐCD nhằm tận dụng quán tính của dòng khí để thải một phần khí cháy ra ngoài. Hành trình thải( XẢ),hình 1-17 Pít tông đi từ ĐCD đến ĐCT, xuppap thải mở, khí cháy được đẩy ra ngoài qua xuppap thải. Xuppap thải đóng sau ĐCT một góc 3 nhằm mục đích thải hết sản vật cháy ra ngoài *) Nguyên lí làm việc của động cơ 2 kì , hình 1-18 và 1-19 Động cơ hai kỳ, như đã nêu trong phần phân loại, có chu trình công tác thực hiện sau hai hành trình của pít tông hay một vòng quay của trục khuỷu. Hành trình thứ nhất: Pít tông đi chuyển từ ĐCT đến ĐCD, khí đã cháy và đang cháy trong xy lanh giãn nở sinh công. Khi pít tông mở cửa thải A, khí cháy có áp suất cao được thải tự do ra đường thải. Từ khi pít tông mở cửa quét B cho đến khi đến điểm chết dưới, khí nạp mới có áp suất cao nạp vào xy lanh đồng thời quét khí đã cháy ra cửa A. Như vậy trong hành trình thứ nhất gồm các quá trình: cháy giãn nở, thải tự do, quét khí và nạp khí mới. Hành trình thứ hai: Pít tông di chuyển từ ĐCD đến ĐCT, quá trình quét nạp vẫn tiếp tục cho đến khi pít tông đóng cửa quét B. Hình 1-18: Hoạt động của động cơ 2 kì 10 Từ đó cho đến khi pít tông đóng của thải A, môi chất trong xy lanh bị đẩy qua cửa thải ra ngoài, vì vậy giai đoạn này gọi là giai đoạn lọt khí. Tiếp theo là quá trình nén bắt đầu từ khi pít tông đóng cửa thải A cho tới khi nhiên liệu phun vào xy lanh (động cơ điêzen (diesel)) hoặc bugi (động cơ xăng) bật tia lửa điện. Sau một thời gian cháy trễ rất ngắn quá trình cháy sẽ xảy ra. Như vậy trong hành trình thứ hai gồm có các quá trình: quét và nạp khí, lọt khí, nén và cháy. 1.4.5. Nguyên lý làm việc của động cơ nhiều xy lanh, hình 1-20 Trong thực tế, động cơ một xy lanh chỉ được sử dụng trên xe máy và một số loại máy nông nghiệp và chế biến sản phẩm nông nghiệp. Nhằm mục đích nâng cao công suất động cơ người ta ghép các động cơ một xy lanh (động cơ đơn) lại với nhau tạo thành động cơ nhiều xy lanh. Động cơ có từ 3 xy lanh trở lên được gọi là động cơ nhiều xy lanh. Trong động cơ nhiều xy lanh, kích thước các chi tiết của các xy lanh như nhau nên quá trình làm việc của các xy lanh cũng giống nhau, chỉ khác nhau về pha. Điều này phụ thuộc vào việc bố trí vị trí tương quan giữa các xy lanh. Việc bố trí này tuân theo những quy tắc sau: - Đảm bảo mômen của động cơ trong một chu trình là đồng đều nhất. Theo nguyên tắc này, ở động cơ đốt trong một hàng xy lanh, người ta bố trí sao cho góc công tác giữa 2 xy lanh làm việc liên tiếp là như nhau. - Không để tải trọng tập trung quá nhiều vào một hoặc một số cổ trục khuỷu nào đó để trục có sức bền đồng đều. - Trục khuỷu phải có hình dạng động lực hợp lý. Hình 1-21: Kết cấu trục khuỷu của một số động cơ Hình 1-20: Động cơ nhiều xylanh Hình 1-19: Các biểu đồ đặc trưng cho các trang thái làm việc của động cơ 2 kì a. Đồ thị pha ; b Đồ thị công . 11 Nguyên lí làm việc của động cơ 4 kì 4 xy lanh thẳng hàng Với dạng trục khuỷu như hình 1-21.1 có thể bố trí góc công tác giữa hai xy lanh liên tiếp nhau là 0180 4 720 k , tức là cứ 180 0 có một lần sinh công do đó momen của động cơ phát ra đều. Mặt khác, trục khuỷu có dạng đối xứng nên tính cân bằng động lực tốt, với cấu trúc trục khuỷu trên có thể có các thứ tự làm việc là 1-3-4-2 hoặc 1-2-4-3. Ta có bảng trình tự làm việc như sau: a. Trình tự làm việc 1-3-4-2 Vòng quay trục khuỷu Góc quay trục khuỷu Thứ tự xy lanh 1 2 3 4 1/2 vòng thứ 1 0 o -180 o Hút Nén Xả Nổ 1/2 vòng thứ 2 180 o -360 o Nén Nổ Hút Xả 1/2 vòng thứ 3 360 o -540 o Nổ Xả Nén Hút 1/2 vòng thứ 4 540 o -720 o Xả Hút Nổ Nén b. Thứ tự làm việc kiểu 1-2-4-3 Vòng quay trục khuỷu Góc quay trục khuỷu Thứ tự xy lanh 1 2 3 4 1/2 vòng thứ 1 0 o -180 o Hút Xả Nén Nổ 1/2 vòng thứ 2 180 o -360 o Nén Hút Nổ Xả 1/2 vòng thứ 3 360 o -540 o Nổ Nén Xả Hút 1/2 vòng thứ 4 540 o -720 o Xả Nổ Hút Nén 12 1.4.6. Nguyên lý động cơ có tăng áp Một phương pháp rất hiệu quả để tăng công suất động cơ là tăng lượng môi chất nạp bằng cách nén môi chất trước khi nạp vào xy lanh. Phương pháp này gọi là tăng áp cho động cơ. Khi nén, áp suất, nhiệt độ của môi chất tăng. Một số động cơ được trang bị bộ phận làm mát khí nén trước khi nạp vào động cơ để nạp được nhiều hơn. Sau đây là một số phương pháp tăng áp chủ yếu. 1.4.6.1 Tăng áp cơ khí Hình 1-22: Tăng áp cơ khí 1. Động cơ 2. Đường thải 3. Máy nén 4. Bình làm mát trung gian 5. Đường nạp 6. Môi chất trước máy nén 7. Bộ truyền cơ khí Với kiểu tăng áp này, máy nén 3 được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ. Phương pháp này có ưu điểm là khi số vòng quay của động cơ thay đổi đột ngột, máy nén vẫn cung cấp cho động cơ lượng môi chất cần thiết. Tuy nhiên, chính vì được dẫn động từ động cơ nên lượng khí nén phụ thuộc vào tốc độ động cơ và có nhược điểm là máy nén không cung cấp đủ lượng khí nén phù hợp cho động cơ khi tải trọng thay đổi. 13 1.4.6.2. Tăng áp kiểu tuabin- máy nén Theo phương pháp này, khí thải của động cơ dẫn vào tuabin 7, sinh công làm quay máy nén 3. Tốc độ vòng quay của tuabin máy nén có thể tới 100.000 vòng/phút. Phương pháp này tận dụng được năng lượng của khí thải, nhưng khi tốc độ vòng quay của động cơ thay đổi đột ngột, do quán tính của tuabin máy nén nên máy nén không cung cấp được lượng không khí cần thiết. Mặt khác, ở chế độ tốc độ vòng quay nhỏ và tải nhỏ, công của tuabin không đủ cho máy nén làm việc bình thường. 1.4.6.3. Tăng áp hỗn hợp Hình 1-24: Tăng áp hỗn hơp 1. Động cơ 2. Đường thải 3. Máy nén 4.tua bin 5. Bộ truyền cơ khí 6. Két làm mát trung gian 7. Đường nạp Với kiểu tăng áp này, máy nén được dẫn động từ động cơ và tuabin. Phương pháp này khắc phục nhược điểm của hai phương pháp trên. Động cơ được cung cấp khí nén phù hợp hơn tại các chế độ tải trọng và tốc độ quay khác nhau, kể cả khi thay đổi tốc độ đột ngột. Mặt khác, công suất dư của tuabin được sử dụng như là công có ích của cả hệ thống. Hình 1-23: Tăng áp kiểu tuabin- máy nén 1. Động cơ 2. Đường xả 3. Máy nén 4. Két làm mát trung gian 5. Đường nạp 6. Môi chất trước máy nén 7. Tuabin 14 Tăng áp kiểu tuabin 15 1.5. Nguyên lý làm việc của động cơ pít tông quay (động cơ Walken) Trục cơ quay theo chiều kim đồng hồ làm bánh răng quay, bánh răng quay dẫn động pít tông (rôto) quay làm thay đổi thể tích các khoang AC, BC, AB. Trên hình 1-25, pít tông quay theo chiều kim đồng hồ, không gian AC có thể tích tăng dần và thông với cửa nạp nên tại đây quá trình nạp diễn ra. Khí nạp được hút vào xy lanh qua cửa nạp 7. Khi điểm A đi qua cửa nạp thì quá trình nạp kết thúc. Pít tông tiếp tục quay, không gian AC giảm thể tích và thực hiện quá trình nén. Khi môi chất bị nén tới áp suất cao (khoang BC) bugi bật tia lửa điện đốt cháy nhiên liệu (động cơ xăng) hoặc vòi phun phun nhiên liệu (động cơ điêzen (diesel)). Sau một thời gian cháy trễ, quá trình cháy thực sự diễn ra. Áp suất trong khoang tăng lên tác dụng lên bề mặt pít tông (mặt BC) làm pít tông quay, qua vành răng và bánh răng làm quay trục cơ. Khi khoang BC diễn ra quá trình cháy- giãn nở thì khoang AC diễn ra quá trình nạp và khoang AB diễn ra quá trình thải. Quá trình thải bắt đầu khi đỉnh A mở cửa thải 9. Nhận xét: Khi rô to thực hiện 1 chu trình tương ứng với 3 vòng quay của trục cơ, cả 3 không gian đều thực hiện 1 chu trình làm việc gồm 4 quá trình: Hút- nén- cháy, giãn nở- thải tương đương với động cơ pít tông thường 4 kì, 3 xy lanh. Ưu điểm của động cơ Walken so với động cơ pít tông thông thường: -Rôto quay nên cân bằng dễ dàng. Vì thế, tốc độ động cơ cao hơn động cơ pít tông thường. - Vì không dùng xuppáp nên chất lượng nạp- thải tốt hơn do tiết diện lưu thông lớn. - Gọn và công suất cao. Nhược điểm chủ yếu của động cơ Walken so với động cơ pít tông thường là các chi tiết bao kín dạng thanh ở các đỉnh của rôto và bề mặt xy lanh mòn rất nhanh do vận tốc lớn và khó bôi trơn. Vì vậy tuổi thọ động cơ thấp. Hình 1-25: Sơ đồ cấu trúc động cơ Valken 1. Rô to (piston quay) 2. Trục cơ 3. Vành răng rô to 4. Bánh răng trục cơ 5. Xilanh 6. Buồng nạp 7. Cửa nạp 8. Bugi 9. Cửa thải Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 16 CHƯƠNG 2: CHU TRÌNH THỰC TẾ CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 2.1. Quá trình nạp 2.1.1. Diễn biến quá trình nạp - Quá trình nạp được tiến hành chủ yếu do pít tông chuyển động từ điểm chết trên đến điểm chết dưới tạo ra sự chênh lệch áp suất, do đó môi chất được hút vào xy lanh. -Trong thực tế, quá trình nạp bắt đầu tại điểm d1, tương ứng với vị trí góc  1 trước ĐCT, xuppap nạp mở. Góc  1 gọi là góc mở sớm của xuppap nạp. Từ thời điểm áp suất trong xy lanh bằng áp suất trên đường ống nạp pk trở đi, khí nạp mới thực sự đi vào trong xy lanh, cho đến khi pít tông tới ĐCD tại điểm a. Tận dụng quán tính của dòng khí nạp để nạp thêm, xupáp nạp chưa đóng tại ĐCD mà đóng sau đó 1 góc  2 tại điểm d2. Góc  2 gọi là góc đóng muộn của xupáp nạp. Áp suất trong xy lanh phụ thuộc vào tốc độ v của pít tông, có giá trị nhỏ nhất tại vmax. Tại điểm ĐCD, ta có thể viết: pa = pk - pk (2.5) Đối với động cơ không tăng áp, có thể coi gần đúng pk  p0 và Tk  T0. Từ phân tích diễn biến quá trình nạp trong các động cơ khác nhau ta có thể rút ra một vài nhận xét sau: - Khí nạp mới đi vào trong xy lanh phải khắc phục sức cản lưu động nên có tổn thất áp suất pk. - Trong tất cả các loại động cơ nêu trên không thể quét hết sản vật cháy ra khỏi xy lanh. Nói cách khác, trong xy lanh vẫn còn một lượng khí sót hoà trộn với khí nạp mới. - Khí nạp mới đi vào xy lanh tiếp xúc với các chi tiết trong buồng cháy và hoà trộn với khí sót có nhiệt độ cao nên được sấy nóng. -Tất cả những điều đó làm cho lượng khí nạp mới trong xy lanh khi kết thúc quá trình nạp thông thường khác so với lượng khí nạp mới lý thuyết có thể chứa trong thể tích xy lanh Vh qui về điều kiện ở đường nạp với nhiệt độ Tk và áp suất pk. Vì vậy, để đánh giá chất lượng quá trình nạp, người ta đưa ra thông số hệ số nạp v được định nghĩa như sau: hhh v V V M M G G 111  pk: Chênh lệch áp suất giữa đường nạp với xylanh. pt: Chênh lệch áp suất giữa đường thải và xylanh.  p t h  p k a V p ĐCD ĐCT V h p k b " p t h b ' d 2 r ' d 1 V c r Hình 2-1. Diễn biến quá trình nạp Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 17 G1 (kg/kgnl) và M1(kmol/kgnl) là lượng khí nạp mới thực tế trong xy lanh khi kết thúc quá trình nạp và V1 là thể tích của lượng khí nạp mới đó qui về điều kiện nhiệt độ Tk và áp suất pk. Gh (kg/kgnl) và Mh(kmol/kgnl) là lượng khí nạp mới lý thuyết chứa trong thể tích Vh trong điều kiện nhiệt độ Tk và áp suất pk. Với: hkh VG  Hệ số nạp là một thông số đặc trưng cho chất lượng quá trình nạp, thông thường nhỏ hơn 1 và sẽ được khảo sát kĩ lưỡng ở các phần sau. 2.1.2. Các thông số cơ bản của quá trình nạp, các nhân tố ảnh hưởng * Các thông số cơ bản a. Áp suất cuối quá trình nạp pa Nếu pa càng lớn thì lượng khí nạp mới càng nhiều và ngược lại. 2 n 2 nkkka f n kpppp  Chú ý rằng trong động cơ xăng, hệ số cản cục bộ trên đường nạp còn phụ thuộc rất nhiều vào độ mở của bướm ga tức là phụ thuộc tải trọng. Cụ thể, khi tăng tải, bướm gam mở to hơn thì sức cản giảm. b. Hệ số khí sót r Hệ số khí sót r được định nghĩa bởi công thức: 1 r r M M  m 1 a r qtnt a r r k qr p p 1 . p p . T TT          c. Nhiêt độ sấy nóng khí nạp mới Khí nạp mới từ đường nạp có nhiệt độ Tk đi vào xy lanh sẽ được sấy nóng bởi các chi tiết có nhiệt độ cao trong buồng cháy, đồng thời nhiên liệu trong hỗn hợp đối với động cơ xăng sẽ bay hơi. Nhiệt độ khí nạp mới khi đó sẽ thay đổi một lượng là T: T = Tt - Tbh Trong đó Tt là độ tăng nhiệt độ của khí nạp mới do truyền nhiệt còn Tbh là độ giảm nhiệt độ do nhiên liệu trong khí nạp mới bay hơi. Động cơ điêzen (diesel) có Tbh = 0. d. Nhiệt độ cuối quá trình nạp r m m r a rrtk a p p TTT T             1 1 Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 18 e. Hệ số nạp h 1 v M M                     m a r qtnt k a k k v p p p p TT T 1 .. 1 1    hhh v V V M M G G 111  *Những nhân tố ảnh hưởng đến hệ số nạp Trong số các thông số cơ bản của quá trình nạp thì hệ số nạp v là thông số tổng hợp đặc trưng cho chất lượng quá trình nạp. a. Tỉ số nén b. Áp suất pa c) Trạng thái nạp (pk, Tk) d) Trạng thái thải (pr, Tr) e) Nhiệt độ sấy nóng khí nạp mới T f) Pha phối khí g) Tải trọng S h) Tốc độ vòng quay n 2.2. Quá trình nén Pít tông đi từ ĐCD lên ĐCT, quá trình nén thực sự bắt đầu tại điểm d2 trên đồ thị công; nhiệt độ, áp suất môi chất tăng dần, diện tích trao đổi nhiệt giữa môi chất và thành vách các chi tiết trong buồng cháy giảm... cho nên quá trình nén là quá trình trao đổi nhiệt phức tạp. Có thể coi đây là quá trình nén đa biến với chỉ số đa biến n thay đổi. Nhiệt lượng trao đổi không những thay đổi về trị số mà còn thay đổi về hướng. 2.2.1. Diễn biến và các thông số của quá trình nén -Đầu quá trình nén, T  TW, môi chất nhận nhiệt, đường nén khi đó dốc hơn đường đoạn nhiệt, n  k. -Trong quá trình nén, áp suất và nhiệt độ của môi chất tăng dần, chênh lệch nhiệt độ T-TW giảm nên nhiệt lượng nhận giảm dần dẫn tới n cũng giảm dần. Cho tới khi T = TW, nhiệt lượng trao đổi bằng 0, lúc đó n = k. -Trong giai đoạn tiếp theo, do T  TW nên môi chất mất nhiệt cho vách các chi tiết nên n  k. - Nếu như biết được n1 ta có thể dễ dàng tìm được nhiệt độ và áp suất cuối quá trình nén (không cháy) tại điểm c: Hình 2-2: Diễn biến quá trình nén Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 19 1n ac pp  1n ac 1TT  *) Những nhân tố ảnh hưởng đến n1 a. Tốc độ vòng quay n b. Tải trọng c. Kích thước xy lanh d. Tình trạng kĩ thuật 2.2.2. Vấn đề chọn tỷ số nén Để đơn giản khi tính toán, ta thay quá trình nén đa biến với n thay đổi bằng quá trình nén với chỉ số nén đa biến n1 = const với điều kiện cùng điểm đầu a và cùng công nén. Chỉ số n1 được gọi là chỉ số nén đa biến trung bình, theo kinh nghiệm nằm trong khoảng 1,32  1,39. Nếu coi gần đúng môi chất là không khí với k = 1,41 thì n1  k nên có thể kết luận rằng tính cho toàn bộ quá trình nén thì môi chất mất nhiệt cho vách các chi tiết. Để tính toán 1n ta sử dụng công thức:  1T 2 b a 8314 1n 1n av 1 1      2.3. Quá trình cháy 2.3.1. Khái quát về quá trình cháy Quá trình cháy là quá trình ôxy hoá nhiên liệu, giải phóng hoá năng thành nhiệt năng và diễn ra rất phức tạp. Yêu cầu đối với quá trình cháy là nhiên liệu cháy đúng lúc, cháy kiệt để đạt tính hiệu quả và tính kinh tế cao, đồng thời tốc độ tăng áp suất  p không quá lớn để động cơ làm việc ít rung giật và hạn chế tải trọng động tác dụng lên các chi tiết của cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền. Ngoài ra, các thành phần độc hại trong khí xả phải nằm trong giới hạn cho phép theo qui định về bảo vệ môi trường. Một số thông số đặc trưng cho quá trình cháy là: Tốc độ cháy  : biểu thị lượng hòa khí tham gia phản ứng trong một đơn vị thời gian (kg/s hay kmol/s). Tốc độ cháy  quyết định tốc độ tỏa nhiệt d dQ và qua đó đến biến đổi áp suất  p và sự thay đổi nhiệt độ của môi chất trong Hình 2-3: Quá trình cháy- giãn nở trên đồ thị công và đồ thị pha Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 20 xy lanh. Tốc độ phản ứng oxi hóa ' : biểu thị tốc độ cháy riêng cho một đơn vị thể tích hòa khí (kg/sm 3 hay kmol/sm 3 ). Tốc độ lan tràn màng lửa u(m/s): quyết định thời gian cháy hòa khí. Quá trình cháy phu thuộc vào rất nhiều yếu tố, trong đó phương pháp hình thành hòa khí và cách thức đốt cháy nhiên liệu có ảnh hưởng nhiều nhất. 2.3.2. Diễn biến quá trình cháy và giãn nở Quá trình cháy bắt đầu tại điểm c’ khi bugi bật tia lửa điện (động cơ xăng) hoặc vòi phun phun nhiên liệu vào xy lanh (động cơ điêzen (diesel)) và kết thúc tại điểm z. Quá trình cháy bắt đầu trước khi pít tông đến ĐCT một góc s là góc đánh lửa sớm (động cơ xăng) hay góc phun sớm (động cơ điêzen (diesel)). Tiếp theo quá trình cháy là quá trình giãn nở sinh công, quá trình này bắt đầu từ điểm z trên đồ thị công là điểm kết thúc quá trình cháy cho đến điểm b’’ là điểm mở sớm của xuppapthải. a. Quá trình cháy trong động cơ xăng Do đặc điểm hình thành hỗn hợp bên ngoài xy lanh (trừ động cơ phun xăng trực tiếp), quá trình cháy trong động cơ xăng có thể chia ra thành 3 giai đoạn như sau Giai đoạn I: Cháy trễ, tính từ lúc bugi bật tia lửa điện tại điểm 1 đến khi đường cháy tách khỏi đường nén tại điểm 2. Trong giai đoạn này hình thành những nguồn lửa đầu tiên từ bugi và bắt đầu dịch chuyển màng lửa. Lượng hỗn hợp tham gia phản ứng ít (chỉ tới khoảng 1,5%) nên lượng nhiệt toả ra nhỏ không làm thay đổi áp suất đường nén. Các thông số đặc trưng của giai đoạn cháy trễ là thời gian cháy trễ i (s) hay góc cháy trễ i ( oTK), phụ thuộc trước hết vào thành phần và tính chất của nhiên liệu, mức độ chuyển động rối của môi chất, nhiệt độ lân cận bugi tại thời điểm đánh lửa và năng lượng tia lửa. Giai đoạn II: Cháy nhanh, diễn ra từ điểm 2 đến điểm 3, màng lửa lan tràn với tốc độ lớn. Do hỗn hợp đã được chuẩn bị rất tốt từ trước nên phần lớn bị đốt cháy trong giai đoạn này. Do đó, tốc độ toả nhiệt rất lớn trong khi thể tích xy lanh thay đổi ít nên gần với quá trình cấp nhiệt đẳng tích. Cuối giai đoạn này màng lửa hầu như lan tràn khắp buồng cháy và áp suất trong xy lanh đạt cực đại. Thông số đặc trưng của giai đoạn cháy nhanh là tốc độ tăng áp suất: Hình 2-4: Diễn biến quá trình cháy trong động cơ xăng Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 21 cz cz ppp      Quá trình cháy diễn ra càng mãnh liệt thì tốc độ tăng áp suất càng lớn, động cơ làm việc không êm và ngược lại. Trong thực tế,  p của động cơ xăng nằm trong khoảng 0,1  0,2 MN/m2 0 TK. Nhận xét: Quá trình cháy có hiệu quả sinh công tốt nhất nếu như 2 và 3 đối xứng nhau qua ĐCT. Đây chính là một cơ sở để lựa chọn góc đánh lửa sớm (s) tối ưu. Giai đoạn III: Cháy rớt, diễn ra từ điểm 3 đến điểm 4. Tốc độ cháy giảm. Pít tông đi càng xa khỏi ĐCT. Do đó hiệu quả sinh công ít. Nhiệt sinh ra chủ yếu làm nóng các chi tiết. Để hạn chế cháy rớt có thể áp dụng các biện pháp như chọn góc đánh lửa sớm, cường độ xoáy lốc của môi chất thích hợp và sử dụng đúng loại nhiên liệu yêu cầu. b. Quá trình cháy trong động cơ điêzen (diesel) Tương tự như trong động cơ xăng, trên thể hiện áp suất và nhiệt độ trong xy lanh. Ngoài ra còn thể hiện qui luật phun thông qua đại lượng  là tỷ lệ (%) lượng nhiên liệu đã phun so với lượng nhiên liệu chu trình gct, qui luật cháy x (%) và tốc độ toả nhiệt dx/d .Động cơ điêzen (diesel) là động cơ có quá trình hình thành hỗn hợp bên trong xy lanh. Từ đặc điểm này có thể chia quá trình cháy thành 4 giai đoạn. Giai đoạn I: Cháy trễ, tính từ khi vòi phun phun nhiên liệu tại điểm 1 đến khi đường cháy tách khỏi đường nén 2. Trong giai đoạn này xảy ra các quá trình tạo thành hỗn hợp và chuẩn bị cháy như xé nhỏ nhiên liệu, bay hơi và hoà trộn nhiên liệu, phản ứng sơ bộ hình thành những trung tâm tự cháy đầu tiên và bước đầu phát triển những trung tâm này. Các thông số đặc trưng của giai đoạn cháy trễ là thời gian cháy trễ i (s) hay góc cháy trễ i ( oTK), phụ thuộc trước hết vào thành phần và tính chất của nhiên liệu như số xetan , độ nhớtNgoài ra, thời gian cháy trễ còn chịu ảnh hưởng của các yếu tố khác như nhiệt độ và áp suất trong xy lanh tại thời điểm phun, độ phun tơi, mức độ chuyển động rối của môi chất Giai đoạn II: Cháy nhanh, diễn ra từ điểm 2 đến điểm 3. Phần hỗn hợp đã được chuẩn bị trong giai đoạn cháy trễ bốc cháy rất nhanh làm cho áp suất và nhiệt độ trong xy lanh tăng vọt. Tốc độ toả nhiệt rất lớn trong khi thể tích xy lanh thay đổi ít nên giai đoạn cháy nhanh gần với quá trình cấp nhiệt đẳng tích. Hình 2-5: Diễn biến quá trình cháy trong động cơ diesel  x dx/d 0  x=100% 5 5'  i s NÐn p T 4'3' 2' 1' 4 3 21 ĐCT Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 22 Thông số đặc trưng của giai đoạn cháy nhanh là tốc độ tăng áp suất  p , xem. Lượng hỗn hợp được chuẩn bị trong giai đoạn cháy trễ càng nhiều thì  p càng lớn, động cơ làm việc không êm và ngược lại. Trong thực tế,  p của động cơ điêzen (diesel) nằm trong khoảng 0,3  0,6 MN/m 2 0TK, lớn hơn nhiều (khoảng 3 lần) so với của động cơ xăng vì tỷ số nén cao hơn. Chính vì vậy nên động cơ điêzen (diesel) làm việc không êm như động cơ xăng. Giai đoạn III: Cháy chính, diễn ra từ điểm 3 đến điểm 4. Hỗn hợp vừa chuẩn bị vừa cháy nên quá trình cháy diễn ra từ từ với tốc độ cháy giảm dần. Vì vậy quá trình cháy diễn ra êm dịu hơn. Có thể coi giai đoạn cháy chính gần với quá trình cấp nhiệt đẳng áp và toàn bộ quá trình cháy trong động cơ điêzen (diesel) gần với chu trình cấp nhiệt hỗn hợp. Tốc độ cháy được quyết định bởi tốc độ hoà trộn giữa nhiên liệu và không khí hay tốc độ chuẩn bị hỗn hợp. Mặt khác, tốc độ cháy giảm còn do nồng độ oxy giảm dần. Do đó, tuy động cơ làm việc êm nhưng hiệu quả biến đổi nhiệt thành công giảm (tính kinh tế giảm) và tăng khả năng cháy rớt ở giai đoạn sau. Trong thực tế khoảng 40  50% lượng nhiên liệu chu trình cháy trong giai đoạn III. Giai đoạn IV: Cháy rớt, cũng như ở động cơ xăng trong giai đoạn cháy rớt sẽ cháy nốt những phần hỗn hợp còn lại. Hiệu quả sinh công thấp, nhiệt sinh ra chủ yếu làm nóng các chi tiết. Giai đoạn cháy rớt được coi là kết thúc khi cháy hết 9597% lượng nhiên liệu chu trình. Để hạn chế cháy rớt có thể áp dụng các biện pháp như chọn góc phun sớm s, cường độ vận động rối của môi chất thích hợp. c. Diễn biến quá trình giãn nở Trong quá trình giãn nở xảy ra nhiều quá trình vật lý phức tạp như cháy rớt, tái hợp sản vật cháy, truyền nhiệt phức tạp từ môi chất với vách các chi tiết và lọt khíTương tự như quá trình nén, có thể coi đây quá trình đa biến với chỉ số đa biến n thay đổi. Đầu quá trình giãn nở, môi chất nhận nhiệt nên đường giãn nở thoải hơn đường đoạn nhiệt (nằm trên), n  k. Pít tông càng đi xa ĐCT, cháy rớt giảm và diện tích trao đổi nhiệt tăng nên lượng nhiệt nhận được giảm và lượng nhiệt mất mát tăng. Do đó n tăng dần cho đến điểm M với n = k, tại đó lượng nhiệt nhận được bằng lượng nhiệt mất mát. Nói cách khác, đó là chế độ đoạn nhiệt tức thời. Từ đó trở đi, môi chất mất nhiệt ngày càng nhiều, đường giãn nở dốc hơn đường đoạn nhiệt (nằm dưới), n  k. Để tính toán đơn giản, cũng tương tự như quá trình nén, ta thay quá trình đa biến với n thay đổi bằng quá trình đa biến với chỉ số n2 = const với điều kiện cùng điểm đầu z và cùng công giãn nở. Theo kinh nghiệm n2 nằm trong khoảng 1,25  1,29. Hình 2-6. Diễn biến quá trình giãn nở k §CT §CD n pVk = const V p y z Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 23 Biết được n2 ta có thể dễ dàng tìm được nhiệt độ và áp suất cuối quá trình giãn nở tại điểm b. 2 22 . . n z n yb yz z n b z zb p VV VV p V V pp                         11 22                n z n b z zb T V V TT   Đối với động cơ xăng  = 1: 2nzb 1 pp   12 1   nzb TT  2.3.3. Các hiện tượng cháy không bình thường trong động cơ xăng a. Kích nổ Là hiện tượng nhiệt độ tại một hay một số vùng trong buồng cháy đủ lớn để tự cháy với sự xuất hiện ngọn lửa cục bộ khi ngọn lửa từ bugi chưa lan tràn tới. Nguồn lửa này phát triển rất nhanh, lan tràn với tốc độ lớn và chèn ép với vùng cháy do ngọn lửa từ bugi, gây ra sóng va kèm theo tiếng gõ rất đanh và áp suất trong buồng cháy dao động với tần số lớn. Nhiên liệu không kịp cháy bị phân huỷ thành các bon tự do nên khí thải có khói đen. Do kích nổ, động cơ rất nóng và công suất giảm nên không thể tiếp tục làm việc được. Kích nổ là hiện tượng đặc thù ở động cơ xăng. Những yếu tố nào làm tăng nhiệt độ cục bộ chính là nguyên nhân gây kích nổ: tỷ số nén lớn, nhiên liệu có chỉ số ốctan nhỏ, góc đánh lửa sớm không phù hợp b. Cháy sớm Là hiện tượng cháy xảy ra khi bugi chưa bật tia lửa điện. Nguồn lửa có thể là các chi tiết quá nóng hoặc muội than nóng đỏ, nên cháy sớm không có qui luật và không điều khiển được. Cháy sớm làm tăng công nén, máy rất nóng tới mức có thể làm chảy pít tông. Kích nổ và cháy sớm thường đi kèm với nhau vì có cùng nguyên nhân là nhiệt độ cao. c. Ngắt điện vẫn làm việc Hình 2-7: Áp suất trong xilanh khi có kích nổ Hình 2-8: Áp suất trong xylanh khi có cháy sớm Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 24 Hiện tượng này xảy ra khi động cơ làm việc lâu ở trạng thái tải lớn, tốc độ vòng quay thấp. Khi đó nhiệt độ các chi tiết rất cao và thời gian cháy trễ đủ lớn để hỗn hợp tự cháy. d. Nổ trong xy lanh Khi động cơ làm việc lâu ở chế độ không tải, hỗn hợp quá đậm, nhiên liệu cháy không hết phân hủy thành muội than và bị nung nóng đỏ bám lên các chi tiết như bugi, xuppap. Khi động cơ chuyển về chế độ có tải thì đây chính là những nguồn lửa đốt hỗn hợp hầu như đồng thời ở nhiều điểm trong xy lanh gây ra tiếng nổ. e. Nổ trong đường thải Khi động cơ đang làm việc ở chế độ tải lớn đột ngột chuyển về chế độ không tải nếu động cơ dùng chế hòa khí thì hỗn hợp khi đó sẽ quá đậm. Quá trình cháy khi đó có thể kéo dài cho tới tận đường thải gây tiếng nổ. 2.3.4. Những thông số cơ bản của quá trình cháy, các nhân tố ảnh hưởng *) Những nhân tố ảnh hưởng đến quá trình cháy động cơ xăng a. Góc đánh lửa sớm s Nếu s quá lớn sẽ dẫn đến hiện tượng vừa cháy vừa nén làm tốn công nén và máy nóng. Ngược lại s nhỏ quá làm cho quá trình cháy kéo dài trên đường giãn nở, nhiệt độ khí thải cao, máy nóng và hiệu quả sinh công kém. Lựa chọn được s tối ưu sẽ cho tính kinh tế và tính hiệu quả cao nhất. Tuy nhiên cần lưu ý rằng với s tối ưu chưa thể khẳng định rằng nồng độ độc hại trong khí thải động cơ thấp nhất. b. Hệ số dư lượng không khí λ Hỗn hợp xăng và không khí trong động cơ xăng có giới hạn cháy hẹp 0,4 <  < 1,68. Vì vậy, để điều chỉnh tải trọng phải sử dụng phương pháp điều chỉnh lượng thông qua một bộ phận tiết lưu trên đường nạp như bướm ga hoặc điều chỉnh lượng kết hợp với điều chỉnh chất trong động cơ phun xăng trực tiếp. Nếu  càng lớn (hỗn hợp càng nhạt) nhiệt toả ra ít, công suất động cơ giảm. Mặt khác nếu hỗn hợp càng nhạt thì cháy rớt càng kéo dài, hiệu quả sinh công giảm, do đó làm giảm tính hiệu quả và tính kinh tế của động cơ. Để khắc phục phần nào ảnh hưởng do cháy rớt có thể tăng s. Ngược lại, nếu  nhỏ quá, hỗn hợp rất đậm, nhiên liệu cháy không hết làm giảm tính kinh tế của động cơ và tăng ô nhiễm môi trường. c. Tỷ số nén  Khi tăng  làm cho nhiệt độ và áp suất tại thời điểm đánh lửa p1 và T1 tăng dẫn tới giảm i và i. Để bảo đảm điều kiện 2 = 3 nói trên thì phải giảm góc đánh lửa sớm s. d. Kết cấu buồng cháy và bố trí bugi Hình 2-9: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 25 Kết cấu buồng cháy gọn, bugi đặt giữa hoặc bố trí nhiều bugi làm cho thời gian và góc giành cho quá trình cháy nhanh là 2-3 và 2-3 được rút ngắn. Đồng thời  p tăng và cháy rớt giảm. Nếu buồng cháy có xoáy lốc hợp lý thì tốc độ cháy tăng dẫn tới  p tăng và giảm cháy rớt. e. Tốc độ vòng quay n Khi tăng n, thời gian (tính theo s) giành cho toàn bộ quá trình cháy giảm. Tuy nhiên, chuyển động rối tăng dẫn đến tăng tốc độ lan tràn màng lửa nên góc dành cho quá trình cháy nhanh 2-3 gần như không đổi còn i và cháy rớt có tăng. Để bảo đảm điều kiện 2 = 3 thì phải tăng s. Đây chính là nguyên tắc điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo tốc độ vòng quay n trong động cơ xăng. f. Tải trọng Khi giảm tải trọng phải đóng bớt bướm ga trên đường nạp làm tăng hệ số khí sót r và làm giảm áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nén. Hỗn hợp khi đó phải đậm hơn. Do đó i tăng và tốc độ cháy giảm làm cho quá trình cháy kéo dài, tính kinh tế giảm và tăng ô nhiễm môi trường. Để hạn chế ảnh hưởng này thì phải tăng góc đánh lửa sớm s. Đây chính là nguyên tắc điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo tải trọng trong động cơ xăng. *) Những nhân tố ảnh hưởng đến quá trình cháy động cơ diezel a. Tính chất của nhiên liệu Nhiên liệu có số xêtan lớn (tính tự cháy cao), thì thời gian cháy trễ i giảm, lượng nhiên liệu chuẩn bị trong thời gian cháy trễ giảm nên  p và pmax nhỏ, động cơ làm việc êm. b. Tỉ số nén Tăng  làm tăng nhiệt độ và áp suất tại thời điểm phun nhiên liệu, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chuẩn bị nên i giảm dẫn tới  p giảm, động cơ làm việc êm hơn. c. Góc phun sớm Góc phun sớm s lớn quá thì điều kiện cho quá trình chuẩn bị không thuận lợi do nhiệt độ và áp suất tại thời điểm phun nhiên liệu còn nhỏ. Do đó thời gian cháy trễ i dài, lượng hỗn hợp chuẩn bị nhiều nên  p lớn, động cơ làm việc không êm. Ngoài ra, s lớn làm tăng công nén làm giảm hiệu quả sinh công và máy nóng. Góc phun sớm s nhỏ quá làm cho quá trình cháy kéo dài trên đường giãn nở cũng dẫn tới giảm tính kinh tế và tính hiệu quả của động cơ. Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 26 Vì vậy, lựa chọn góc phun sớm tối ưu là một trong những nhiệm vụ đầu tiên của người thiết kế. Góc phun sớm s tối ưu phụ thuộc vào chế độ làm việc (tốc độ vòng quay, tải trọng) tỷ số nén, kết cấu buồng cháy và thường được lựa chọn bằng thực nghiệm. d. Chất lượng và quy luật phun nhiên liệu Nếu nhiên liệu phun tơi tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chuẩn bị hỗn hợp thì thời gian cháy trễ i và tốc độ tăng áp suất  p nhỏ, động cơ làm việc êm. Nếu rút ngắn thời gian phun tức là tăng cường độ phun sẽ làm cho lượng nhiên liệu chuẩn bị trong giai đoạn cháy trễ tăng lên dẫn tới tăng  p và pmax, động cơ khi đó làm việc ồn và rung giật. Qua đó có thể thấy rằng, qui luật phun là một nhân tố ảnh hưởng quyết định đến diễn biến quá trình cháy. e. Xoáy lốc và quy luật phun nhiên liệu Xoáy lốc làm tăng khả năng hoà trộn nhiên liệu với không khí, giảm thời gian cháy trễ i và giảm cháy rớt. Tóm lại, xoáy lốc là một biện pháp rất hiệu quả nhằm hoàn thiện quá trình cháy. Tuy nhiên, xoáy lốc với cường độ quá lớn sẽ tốn nhiều năng lượng, làm tăng tổn thất cơ giới và có thể dẫn tới giảm tính kinh tế và tính hiệu quả của động cơ. f. Tải trọng động và hệ số dư lượng không khí λ Hỗn hợp nhiên liệu không khí trong động cơ điêzen (diesel) có giới hạn cháy rất rộng trong khoảng 1,2  10. Vì vậy người ta dùng phương pháp điều chỉnh chất tức là điều chỉnh chính  thông qua điều chỉnh lượng nhiên liệu chu trình gct để điều chỉnh tải. Khi giảm tải, gct giảm,  tăng, thời gian phun giảm do đó quá trình cháy cũng được rút ngắn. Vì vậy phải giảm góc phun sớm s. Đây chính là nguyên tắc điều chỉnh góc phun sớm theo tải trọng đối với động cơ điêzen (diesel). g. Tốc độ vòng quay n Khi tăng tốc độ vòng quay, thời gian của quá trình cháy (tính theo s) bị rút ngắn nhưng cường độ xoáy lốc tăng và nhiên liệu phun tơi hơn. Tổng hợp lại, góc dành cho hai giai đoạn cháy chủ yếu 2-4 thay đổi ít nhưng góc cháy trễ i tăng lên, do đó phải tăng góc phun sớm s. Đây chính là nguyên tắc điều chỉnh góc phun sớm theo tốc độ vòng quay trong động cơ điêzen (diesel). 2.4. Quá trình thải 2.4.1. Diễn biến quá trình thải Hình 2-10. Quá trình thải của động cơ 4 kỳ không tăng áp p V §CD§CT b b" b' d1 r' pth r pr Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 27 Khi xuppap thải mở sớm tại điểm b’, do chênh lệch áp suất lớn, dòng khí lưu động qua xuppap thải với vận tốc rất lớn tới 600  700 m/s. Trong giai đoạn thải tự do tính đến điểm b” (ĐCD) có tới 60  70% khí cháy được thải ra khỏi xy lanh. Từ ĐCD trở đi tới ĐCT, môi chất trong xy lanh bị pít tông đẩy cưỡng bức qua xuppap thải với vận tốc khoảng 200  250 m/s. Khi đó píttông tiêu tốn một công gọi là công bơm. Góc mở sớm xuppap thải 3 có ảnh hưởng lớn đến chất lượng thải và công bơm. Nếu mở sớm quá thì công giãn nở sẽ tổn thất nhiều, tuy nhiên công bơm nhỏ do áp suất trong xy lanh nhỏ và ngược lại. Vì vậy, 3 được lựa chọn sao cho lợi nhất về công. Góc đóng muộn 4 được lựa chọn trong quan hệ chặt chẽ với góc mở sớm xuppap nạp 1 nhằm bảo đảm thải sạch và nạp đầy nhất có thể (r nhỏ và v lớn). Mục đích cuối cùng cũng nhằm đạt được công của chu trình là lớn nhất tức là lợi nhất về công. Pha phối khí tối ưu thường lựa chọn bằng thực nghiệm. 2.4.2. Các thông số và các nhân tố ảnh hưởng + Phân tích ảnh hưởng của tiết diện lưu thông của xupap Tiết diện lưu thông của xupap có ảnh hưởng quyết định đối với chất lượng thay đổi khí của quá trình thải và nạp Fk = π.h.(dn.cosα + h.sinα.cos 2α) Trong đó: α: góc của mặt nấm xupap dn: đường kính của mặt nấm xupap h: độ nâng của xupap + tk t t k dfdf .. 1 2 1 2      gọi là trị số “thời gian – tiết diện” + Trị số “thời gian – tiết diện” của xupap là tổng số tiết diện mà xupap mở được trong khoảng thời gian t1 đến t2 tức là thời gian bắt đầu mở xupap đến đóng xupap. + Trị số “thời gian – tiết diện” phụ thuộc vào dn, α, quy luật phối khí và biên dạng cam. Kết luận: Việc thải sạch và nạp đầy phụ thuộc vào trị số “thời gian – tiết diện” của xupap hay chất lượng của cơ cấu phân phối khí phụ thuộc vào trị số “thời gian – tiết diện” Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 28 Chương 3: CƠ CẤU SINH LỰC 3.1. Giới thiệu chung 3.1.1. Chức năng Là nguồn cung cấp động năng cho các hoạt động của ôtô: cung cấp mô men quay cho bánh đà, dẫn động các cơ cấu, hệ thống khác (hệ thống nhiên liệu, cơ cấu phân phối khí, hệ thống làm mát). 3.1.2. Yêu cầu - Hiệu suất làm việc cao. - Làm việc ổn định. - Không rung giật, ít gây tiếng ồn. - Kích thước và trọng lượng nhỏ, công suất riêng lớn . - Khởi động, vận hành, chăm sóc dễ dàng. - Thành phần gây ô nhiễm môi trường nhỏ. 3.2. Thân máy, xy lanh, nắp máy và các te (đáy hứng dầu). 3.2.1. Thân máy Hình 3.1. Thân máy a: Động cơ 1 hàng xylanh b: Động cơ chữ V 3.2.1.1. Chức năng - Là nơi lắp đặt và bố trí hầu hết các cụm chi tiết của động cơ. - Là nơi lấy nhiệt từ thành vách xylanh. - Duy trì áp suất nén của piston và tiếp nhận áp suất nổ. 3.2.1.2. Phân loại a). Phân loại theo kiểu làm mát - Thân máy làm mát bằng nước: Thường ở động cơ ô tô, máy kéo . - Thân máy làm mát bằng gió: Thường gặp ở động cơ xe máy. b). Phân loại theo kết cấu kếu - Thân xylanh – hộp trục khuỷu: Thân xylanh đúc liền hộp trục khuỷu. Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 29 - Thân máy rời: Thân xylanh làm rời với hộp trục khuỷu và lắp với nhau bằng bulông hay gugiông. c). Phân loại theo tình trạng chịu lực khí thể: - Thân xylanh hay xylanh chịu lực: Lực khí thể tác dụng lên lắp xylanh, qua gu giông nắp máy rồi chuyền xuống truyền xuống thân xylanh. - Vỏ thân chịu lực: Lực khí thể chuyền qua gu giông xuống vỏ thân, xylanh hoàn toàn không chịu lực khí thể. - Gugiông chịu lực: Lực khí thể hoàn toàn do gu giông chịu. 3.2.1.3. Đặc điểm cấu tạo: Tùy thuộc vào phương pháp lắp đặt trục khuỷu trong hộp trục khuỷu mà thân máy có cấu tạo khác nhau. a) b) c) Hình 3.2. Các dạng thân máy. a: Trục khuỷu treo b: Trục khuỷu đặt c: Trục khuỷu luồn 3.2.2. Xy lanh 3.2.2.1. Chức năng - Kết hợp với piston và nắp máy tạo thành buồng cháy. - Dẫn hướng cho piston. - Tản nhiệt cho buồng cháy. 3.2.2.2. Yêu cầu - Làm bằng vật liệu có độ bền cao: Chống ăn mòn cơ học, ăn mòn hóa học tốt. - Có hệ số nở dài thấp. - Tản nhiệt tốt. 3.2.2.3. Phân loại Gồm hai loại chính là xylanh liền thân và xylanh rời thân. Xylanh rời thân có sử dụng lót xy lanh trong đó có lót xylanh khô và lót xy lanh ướt. Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 30 Hình 3.3. Các dạng xylanh a: Xylanh liền thân b,c: Lót xylanh khô d: Lót xylanh ướt 3.2.2.4. Đặc điểm cấu tạo Xylanh có cấu tạo dạng ống trụ. Mặt trong được gia công với độ bóng cao. Được làm cứng qua nhiều gia đoạn đảm bảo chịu ăn mòn cơ học và hóa học tốt. 3.2.3. Nắp máy 3.2.3.1 Chức năng: - Là chi tiết dùng để đậy kín buồng cháy. - Kết hợp với xylanh, piston tạo thành buồng cháy. - Là nơi lắp đặt nhiều bộ phận của động cơ như: Bugi, vòi phun, cụm xupap - Kết hợp với đỉnh piston tạo thành dạng vòng xoáy của hỗn hợp khí cháy. 3.2.3.2 Yêu cầu - Có đủ sức bền cơ học, độ cứng vững khi chịu nhiệt độ cao và áp suất lớn nhưng trọng lượng phải nhỏ. - Tạo được dạng buồng cháy thích hợp. - Dễ dàng tháo lắp, điều chỉnh, bảo dưỡng và sửa chữa các cơ cấu và chi tiết lắp trên nắp xylanh. - Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và ứng suất nhiệt bé. - Đảm bảo đậy kín buồng cháy, không bị lọt khí, rò nước. 3.2.3.3. Phân loại Gồm 3 loại chính: Nắp máy động cơ xăng, nắp máy động cơ diezel, nắp máy động cơ làm mát bằng gió. a). Nắp máy động cơ xăng: Nắp máy có kết cấu tùy thuộc dạng buồng cháy. - Nắp máy động cơ dùng cơ cấu phân phối khí dạng xupáp treo: Xupáp nạp lớn hơn xupap thải, bugi đặt ở hông buồng cháy, vách buồng cháy thường có khoang chứa nước làm mát, có khoang để luồn đũa đẩy dẫn động xupap, lỗ lắp gu giông lắp máy, lỗ dẫn nước làm mát. Động cơ xăng có tỷ số nén trung bình và thấp thường dùng loại lắp xylanh có buồng cháy hình chêm. Có tên là động cơ Ricacdo. - Nắp máy động cơ dùng cơ cấu phân phối khí dạng xupap đặt: Nắp máy cấu tạo đơn giản, khác so với nắp máy động cơ dùng cơ cấu phân phối khí dạng xúpap treo là bugi gần xupap nạp để tránh kích nổ. b). Nắp máy động cơ diezel Phức tạp hơn nắp máy động cơ xăng, trên nắp máy phải bố trí rất nhiều chi tiết: đường nạp, thải, cụm xupap của cơ cấu phân phối khí dạng xupap treo. Ngoài ra còn rất nhiều chi tiết như: Vòi phun, buồng cháy phụ, van khí nén, bugi sấy Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 31 Động cơ nhiều xylanh nắp máy có thể làm rời cho từng xylanh hoặc cụm xylanh (gồm 1 vài xylanh). c). Nắp máy động cơ làm mát bằng gió. Là kết cấu chịu ứng suẩt nhiệt lớn nhất, nắp xylanh được làm rời với lắp với hộp trục khuỷu bằng các gugiông. Nắp thường được chế tạo bằng hợp kim nhôm. 3.2.4. Các te 3.2.4.1. Chức năng Chứa dầu bôi trơn, bảo vệ phía dưới thân máy, bảo vệ trục khuỷu và làm mát động cơ. 3.2.4.2. Yêu cầu Đảm bảo cung cấp đủ dầu trong quá trình tăng tốc hoặc phát hành. 3.2.4.3. Đặc điểm cấu tạo Đáy lắp với thân máy bằng vít, đệm máy làm bằng giấy nệm. Ngoài ra ở hai đầu cácte được lắp phớt ngăn chảy dầu. Đáy dầu phải có kết cấu có các tấm chắn sóng trong đáy dầu hoặc hai phái của bơm dầu để dầu không bị tạo sóng hoặc bị thổi khi bơm trong lúc động cơ tăng tốc hoặc dừng. Đáy cácte thường có hai bậc. Bậc trên ở ngay phía điểm thấp nhất của hành trình biên, trải dài khắp đáy dầu. Toàn bộ dầu trở về đáy dầu qua lưới trước khi trở về chỗ chứa ở bậc dưới. Các te thường chia làm 3 ngăn, ngăn giữa thường sâu hơn 2 ngăn bên. Hình 3.4. Cácte ô tô 1: Đệm cácte . 3: Đáy chứa dầu bôi trơn 2: Tấm ngăn 4: Lỗ bắt các te với than động cơ 3.3. Cụm piston 3.3.1. Piston 3.3.1.1. Chức năng - Cùng các chi tiết khác tạo thành buồng cháy. - Nhận lực khí thể và truyền lực cho thanh truyền trong quá trình giãn nở. - Nhận lực từ thanh truyền trong quá trình hút, nén hỗn hợp khí cháy và quá trình xả sản vật cháy. 3.3.1.2. Yêu cầu Đối với vật liệu làm piston cần có một số yêu cầu sau: + Có độ bền lớn khi nhiệt độ cao và tải trọng thay đổi. + Có trọng lượng riêng nhỏ. + Có hệ số giãn nở nhỏ nhưng hệ số dẫn nhiệt lớn + Chịu mài mòn tốt và chống ăn mòn hóa học của khí cháy. Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 32 + Giá thành rẻ. 3.3.1.3. Kết cấu Để thuận lợi phân tích kết cấu có thể chia piston thành những phần như đỉnh, đầu, thân và chân piston. Hình 3.5. Piston 1: Đỉnh piston. 2: Đầu piston 3: Thân piston a). Đỉnh Piston Cùng với xylanh, nắp xylanh tạo thành buồng cháy, về mặt kết cấu có các loại đỉnh sau: - Đỉnh bằng: Có diện tích chịu nhiệt nhỏ, kết cấu đơn giản. Thường được sử dụng trong động cơ diezel buồng cháy dự bị và buồng cháy xoáy lốc (hình 3.6.a) - Đỉnh lồi: Có sức bền lớn, đỉnh mỏng nhẹ nhưng diện tích chịu nhiệt lớn. Thường được sử dụng trong động cơ xăng 2 kỳ và 4 kỳ xupáp treo, buồng cháy chỏm cầu (hình 3.6.b và 3.6.c). - Đỉnh lõm: Có thể tạo xoáy lốc nhẹ, tạo thuận lợi cho quá trình hình thành hòa khí và cháy. Tuy nhiên sức bền kém và diện tích chịu nhiệt lớn. Loại đỉnh này thường được sử dụng ở cả động cơ xăng và động cơ diesel (hình 3.6.d). - Đỉnh chứa buồng cháy: Thường gặp trên động cơ diesel (hình 3.6.e,f,g,h). Kết cấu buồng cháy phải thỏa mãn các yêu cầu sau tùy từng trường hợp cụ thể: + Phải phù hợp với hình dạng buồng cháy và hướng của chùm tia phun nhiên liệu để tạo thành hỗn hợp tốt nhất. + Phải tận dụng được soáy lốc của không khí trong quá trình nén. Hình 3.6. Các dạng buồng cháy đỉnh piston. Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 33 b). Đầu piston Đường kính đầu piston thường nhỏ hơn đường kính thân vì thân là phần dẫn hướng của piston. Kết cấu đầu piston phải đảm bảo những yêu cầu sau: - Bao kín tốt cho buồng cháy: Nhằm ngăn khí cháy lọt xuống cacte dầu và dầu bôi trơn từ cácte lọt lên trên buồng cháy. - Tản nhiệt tốt cho piston: Để tản nhiệt tốt thường dùng các kết cấu đầu piston sau: + Phần chuyển tiếp giữa đỉnh và đầu có bán kính chuyển tiếp R lớn. + Dùng gân tản nhiệt dưới đầu piston. + Tạo rãnh ngăn nhiệt ở đầu piston để giảm nhiệt lượng chuyền cho séc măng thứ nhất. + Làm mát cho đỉnh piston (trong động cơ cỡ lớn đỉnh piston thường được làm mát bằng dầu lưu thông như hình 3.7.f). - Sức bền cao: Để tăng sức bền và độ cứng vững cho bệ chốt piston người ta người ta thiết kế các gân trợ lực. Hình 3.7. Các dạng đỉnh piston c). Thân piston: Có nhiệm vụ hướng cho piston chuyển động trong xylanh. Chiều cao h của thân được quyết định bằng điều kiện áp suất tiếp xúc do lực ngang N gây ra phải nhỏ hơn áp suất tiếp xúc cho phép. P =  Dh N . [ p] - Vị trí tâm chốt: Phải được bố trí sao cho piston và xylanh mòn đều, đồng thời phải giảm va đập và gõ khi piston đổi chiều. Một số động cơ có tâm chốt lệch với tâm xylanh 1 giá trị e về phía nào đó sao cho lực ngang Nmax giảm để hai bên chịu lực N của piston và xylanh mòn đều. - Chống bó kẹt piston: Có nhiều nguyên nhân gây ra bó kẹt piston trong xylanh cụ thể: + Lực ngang N. + Lực khí thể . + Kim loại giãn nở . Do những nguyên nhân trên piston thường bị bó kẹt theo phương tâm chốt piston. Đối với piston bằng hợp kim nhôm hệ số nở dài lớn càng dễ sảy ra bó kẹt. Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 34 Pkt a b N N Hình 3.8. Thân piston Hình 3.9. Các nguyên nhân gây bó kẹt piston - Khắc phục hiện tượng bó kẹt: + Chế tạo than piston có dạng ô van, trục ngắn trùng với tâm chốt. + Tiện vát 2 mặt ở bệ chốt chỉ để lại một cung α = 90 ÷ 100o để chịu lực mà không ảnh hưởng nhiều đến phân bố lực. + Xẻ rãnh nở trên thân piston. Khi xẻ rãnh người ta không xẻ hết để đảm bảo độ cứng vững cần thiết và thường xẻ chéo để tránh xylanh bị gờ xước. Khi nắp cần chú ý để bề mặt thân xẻ rãnh về phía lực ngang N nhỏ. Loại này có ưu điểm là khe hở lúc nguội nhỏ, động cơ không gõ khởi động dễ dàng. Nhược điểm độ cứng vững của piston giảm nên thường dùng ở động cơ xăng. + Đúc bằng hợp kim có độ nở dài nhỏ. d). Chân piston: Hình 3.10 là một kết cấu điển hình của chân piston. Theo kết cấu này thân có vành đai để tăng độ cứng vững mặt trụ a cùng với mặt đầu của chân piston là chuẩn công nghệ khi gia công và là nơi điều chỉnh trọng lượng của piston sao cho đồng đều giữa các xylanh. Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 35 3.3.2. Chốt piston 3.3.2.1. Chức năng Chốt piston là chi tiết nối chốt piston với thanh truyền đảm bảo điều kiện làm việc bình thường của động cơ. 3.3.2.2. Đặc điểm cấu tạo Hình3.11. Lắp cố định chốt piston trên đầu nhỏ thanh truyền và trên bệ chốt Đa số các chốt piston có kết cấu đơn giản như dạng trụ rỗng. Các kiểu lắp ghép giữa chốt piston với piston, thanh truyền: - Cố định chốt piston trên đầu nhỏ thanh truyền (hình 3.11 a). - Cố định chốt piston trên bệ chốt (hình 3.11. b). - Lắp tự do ở cả hai mối ghép (hình 3.12. a). Phương pháp này được dùng phổ biến ngày nay. Tuy nhiên phải giả quyết vấn đề bôi trơn ở cả hai mối ghép và phải có kết cấu hạn chế di chuyển dọc trục của chốt, thường dùng vòng hãm (hình 3.12.b) hoặc nút kim loại mềm có mặt cầu như hình 3.12.c. Hình 3.12. Lắp tự do chốt piston - Các phương án bôi trơn: + Đối với bệ chốt thường được khoan lỗ để dẫn dầu do xéc măng gạt dầu về (hình 3.13a) hoặc khoan lỗ hứng dầu như (hình 3.13b). Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 36 + Đối với thanh truyền người ta có thể bôi trơn bằng cách khoan lỗ hứng dầu hoặc bôi trơn cưỡng bức kết hợp làm mát đỉnh piston bằng dầu áp suất cao dẫn từ trục khuỷu dọc theo thanh truyền. Hình 3.13. Bôi trơn các mối ghép chốt piston. 3.3.3. Xéc măng Hình 3.14. Xéc măng. 3.3.3.1. Chức năng - Xéc măng khí để bao kín tránh lọt khí, còn xéc măng dầu ngăn dầu từ hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy. - Truyền phần lớn nhiệt độ từ đầu piston sang thành xylanh. - Đưa dầu đi bôi trơn cho piston xylanh xécmăng. 3.3.3.2. Đặc điểm kết cấu a). Xéc măng khí: Xéc măng có kết cấu rất đơn giản là một vòng hở miệng hình 3.15.a. Kết cấu của xéc măng khí được đặc trưng bởi kết cấu của tiết diện và miệng của xéc măng. Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 37 - Về mặt tiết diện xécmăng khí: Hình 3.15. Kết cấu xéc măng khí. + Loại tiết diện chữ nhật (hình 3. 15.b) có kết cấu đơn giản nhất, dễ chế tạo nhưng có áp suất riêng không lớn, thời gian rà khít với xylanh sau khi lắp rắp lâu. + Loại có mặt côn (hình 3. 15.c) có áp suất tiếp xúc lớn và có thể rà khít nhanh chóng với xylanh, tuy nhiên chế tạo phiền phức và đánh dấu khi lắp sao cho xéc măng đi xuống sẽ có tác dụng như một lưỡi cạo để gạt dầu. + Để có đượng ưu điểm trên và tránh được những điều phiền phức đã nêu, người ta đưa ra kết cấu tiết diện không đối xứng bằng cách tiện vát tiết diện xéc măng (hình 3. 15.d và e). Khi lắp các piston và xylanh, do có sức căng nên xéc măng bi vênh đi nên có tác dụng như một mặt côn. Khi lắp ráp phải chú ý: Nếu vát phía ngoài (hình 3. 15.d) thì phải lắp hướng xuống phía dưới còn vát phía trong (hình 3. 15.e) thì phải lắp hướng lên buồng cháy, nhằm tránh hiện tượng giảm lực căng của xéc măng do áp suất cao của khí lọt từ buồng cháy. + Loại hình thang – vát (hình 3. 15.f) có tác dụng giữ muội than khi xéc măng co bóp do đường kính xylanh không hoàn toàn đồng đều theo phương dọc trục, do đó tránh được hiện tượng bó kẹt xéc măng trong rãnh của nó. - Về kết cấu miệng: + Loại thẳng (hình 3. 15.g) dễ chế tạo nhưng dễ lọt khí và sục dầu qua miệng. + Loại hình (hình 3. 15.h) có thể khắc phục phần nào những nhược điểm trên. + Loại bậc ( hình 3. 15.i) bao kín rất tốt nhưng khó chế tạo. Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 38 b). Xéc măng dầu: Hình 3. 16. Hiện tượng bơm dầu của xécmăng khí. - Ở rãnh xécmăng dầu của piton có rãnh thoát dầu (hình 3. 17). Một số xec măng dầu có kết cấu tiết diện dạng lưỡi cạo gạt dầu thường gặp trong thực tế. Hình 3. .17. Xéc măng dầu tổ hợp - Kết cấu của xécmăng dầu tổ hợp gồm 3 chi tiết riêng rẽ. Do có lò xo hình sóng ép hai vòng thép mỏng lên mặt đầu của rãnh nên xec măng khi làm việc không có khe hở mặt dầu. Do đó xec măng dầu tổ hợp có tác dụng ngăn dầu và giảm va đập rất tốt. Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 39 3. 4. Cụm thanh truyền 3. 4.1. Thanh truyền 3. 4.1.1. Chức năng - Thanh truyền là chi tiết nối giữa piston và trục khuỷu hoặc guốc trượt. - Truyền lực từ piston xuống làm quay trục khuỷu. - Biến chuyển động thẳng của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu. 3. 4.1.2. Kết cấu Kết cấu thanh truyền gồm 3 phần là đầu nhỏ, đầu to và thân thanh truyền (hình 3. 18). Sau đây ta xét kết cấu từng phần cụ thể. Hình 3. 18. Kết cấu thanh truyền 1: Bạc đầu nhỏ 5: Nửa trên thanh truyền 2: Đầu nhỏ thanh truyền 6: Bạc đầu to thanh truyền 3: Thân thanh truyền 7: Nửa dưới thanh truyền a). Đầu nhỏ Kết cấu đầu nhỏ thanh truyền phụ thuộc vào kích thước chốt piston và phương pháp lắp ghép đầu nhỏ thanh truyền với chốt piston. Hình 3. 19. Kết cấu các dạng đầu nhỏ thanh truyền Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 40 - Đầu nhỏ thanh truyền thường có dạng trụ rỗng. - Trong động cơ cỡ lớn đầu nhỏ thanh truyền có dạng cung tròn đồng tâm, đôi khi có dạng ô van để tăng độ cứng vững. - Trong động cơ xăng đầu nhỏ thanh truyền có dạng trụ mỏng. - Ở một số động cơ người ta thường làm vấu lồi trên đầu nhỏ để điều chỉnh trọng tâm thanh truyền cho đồng đều gữa các xylanh (hình 3. 19.b). - Các phương án bôi trơn khi đầu nhỏ thanh truyền nắp tự do với chốt piston: + Dùng rãnh hứng dầu (hình 3. 19.c). + Bôi trơn cưỡng bức do dẫn dầu từ trục khuỷu theo thân thanh truyền (hình 3. 19a). + Làm các rãnh chứa dầu ở bạc đầu nhỏ (hình 3. 19d). + Dùng bi kim thay cho bạc lót (hình 3. 19.e). Hình 3. 20. Một số dạng kết cấu đầu nhỏ thanh truyền - Khi chốt piston cố định trên đầu nhỏ thanh truyền: Đầu nhỏ phải có kết cấu kẹp chặt b). Thân thanh truyền - Tiết diện thân thanh truyền: Thường thay đổi từ nhỏ đến lớn kể từ đầu nhỏ đến đầu to. Hình 3. 21. Các loại tiết diện thân thanh truyền Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 41 - Tiết diện tròn (hình 3. 20a) có dạng đơn giản, thường được dùng cho động cơ tàu thủy. - Loại tiết diện chữ I (hình 3. 20b) có sức bền đều theo 2 phương, được dùng rất phổ biến, từ động cơ cỡ nhỏ đến động cơ cỡ lớn. - Loại tiết diện hình chữ nhật, ô van (hình 3. 20c và d) có ưu điểm là dễ chế tạo, thường được dùng ở động cơ ôtô, xuồng máy cỡ nhỏ. c). Đầu to thanh truyền: Hình 3. 22. Kết cấu đầu to thanh truyền a: Kết cấu đầu to thanh truyền b: Kết cấu bạc lót đầu to thanh truyền. 1. Nắp đầu to 1. Vấu lưỡi gà 2. Bulông đầu to thanh truyền 2. Bạc lót 3. Thân thanh truyền 4. Bạc lót Đầu to thanh truyền thường được cắt làm 2 nửa và lắp ghép với nhau bằng bulông hay vít cấy. Do đó bạc lót cũng phải chia làm hai nửa và phải được cố định trong lỗ đầu to thanh truyền. Hình 3.22.b thể hiện một dạng kết cấu này gọi là kiểu vấu lưỡi gà. - Các dạng đầu to thanh truyền: Hình 3. 23. Các dạng kết cấu đầu to thanh truyền. Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 42 Đối với động cơ cỡ lớn (hình 3. 23.a). Trong một số trường hợp, do kích thước đầu to quá lớn nên đầu to thanh truyền được chia làm hai nửa bằng mặt phẳng chéo ( hình 3. 23.b). Để giảm kích thước đầu to thanh truyền, có loại kết cấu bản lề và hãm bằng chốt côn (hình 3. 23.c). Một số động cơ hai kì cỡ nhỏ có thanh truyền không chia làm hai nửa phải dùng ổ bi đũa (hình 3. 23.d) được lắp dần từng viên. Ở một số động cơ nhiều xilanh kiểu chữ V hoặc hình sao, thanh truyền của hai hàng xilanh khác nhau, thanh truyền phụ không lắp trực tiếp với trục khuỷu mà lắp với chốt phụ trên thanh truyền chính (hình 3. 23.e) hoặc hai thanh truyền lắp lồng với nhau trên trục khuỷu nên một thanh truyền có đầu to dạng hình nạng (hình 3. 23.f). Đối với một số động cơ có trục khuỷu trốn cổ, để bố trí khoảng cách giữa các xilanh hợp lý, chiều dày đầu to không đối xứng qua mặt phẳng dọc của thân thanh truyền (hình 3. 23.g). 3. 4.2. Bu lông thanh truyền: Hình 3.24. Một dạng kết cấu của bulông và gugiông thanh truyền a):Bulông b: Gulông a). Chức năng Bulông thanh truyền là chi tiết ghép nối hai nửa đầu to thanh truyền. Nó có thể ở dạng bulông hay vít cấy (gu giông), tuy có kết cấu đơn giản nhưng rất quan trọng nên phải được quan tâm khi thiết kế và chế tạo. Nếu bulông thanh truyền do nguyên nhân nào đó bị đứt sẽ dẫn tới phá hỏng toàn bộ động cơ b). Điều kiện làm việc Bulông thanh truyền khi làm việc chịu lực như lực xiết ban đầu, lực quán tính của nhóm piston thanh truyền không thể lắp đầu to thanh truyền. Những lực này đều là lực có chu kỳ cho nên Bulông thanh truyền phải có sức bền mỏi cao, do tính chất quan trọng nên khi thiết kế và chế tạo đều yêu cầu độ chính xác cao. c). Vật liệu chế tạo Bulông thanh truyền thường được chế tạo bằng thép hợp kim có các thành phần crôm, mangan, niken...Tốc độ động cơ càng lớn, vật liệu Bulông thanh truyền có hàm lượng kim loại quí càng nhiều. Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 43 d). Kết cấu Đầu bulông có mặt vát A để chống xoay khi lắp ráp. Còn mặt ráp B có tác dụng lám mềm phần đối diện với mặt vát A để phản lực hai phía trên bề mặt tỳ được đồng đều sao cho tổng phản lực tác dụng đúng trên đường tâm bulông để tránh cho bulông bị uốn. Bán kính góc lượn của các phần tâm chuyển tiếp nằm trong khoảng 0,2 - 1 mm nhằm giảm tập trung ứng suất. Phần nối giữa thân và ren thường làm thắt lại để tăng độ dẻo của bulông. Đai ốc có kết cấu đặc biệt để ứng suất trên các ren đồng đều. Ren được tạo thành bằng những phương pháp gia công không phoi như lăn, cán. Ngoài ra bulông thanh truyền còn được tôi, ram và xử lý bề mặt bằng phun cát, phun bi để đạt độ cứng HRC 26 - 32. 3. 5. Nhóm trục truỷu – bánh đà 3. 5.1. Trục khuỷu Hình 3. 25. Trục khuỷu 1,6: Cổ biên 4: Đối trọng 2: Lỗ cân bằng đối trọng 5: Má khuỷu 3: Cổ trục 3. 5.1.1. Chức năng - Trục khuỷu nhận lực tác dụng từ piston tạo mômen quay. - Nhận năng lượng của bánh đà sau đó truyền cho thanh truyền và piston. 3. 5.1.2. 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 li tâm của các đối tượng quay lệch tâm của bản thân trục khuỷu và các thanh truyền. Những lực này gây uốn, xoắn, dao động xoắn và dao động ngang của trục khuỷu trên các ổ đỡ. 3. 5.1.3. Kết cấu Kết cấu trục khuỷu phụ thuộc trước hết vào những loại trục khuỷu. Người ta phân chia trục khuỷu thanh một số loại sau: Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 44 - Trục khuỷu ghép và trục khuỷu nguyên: Hình 3. 26. Trục khuỷu động cơ 4 kỳ, 4 xylanh. 1: Đầu trục 4: Má khuỷu 2: Chốt khuỷu 5: Đối trọng 3: Cổ khuỷu 6: Đuôi trục khuỷu Trục khuỷu ghép là trục khuỷu gồm nhiều chi tiết được lắp với. Loại trục khuỷu này được dùng nhiều trong động cơ cỡ lớn, động cơ đồng gam và đôi khi ở động cơ cỡ nhỏ như động cơ xe máy. Trục khuỷu nguyên là trục chỉ gồm một chi tiết (hình 3. 25). Trục khuỷu nguyên được dùng trong động cơ cỡ nhỏ và trung bình, ví dụ ở động cơ ô tô máy kéo. - Trục khuỷu đủ cổ và trục khuỷu trốn cổ: Hình 3. 27. Trục khuỷu động cơ 4 kỳ, 4 xylanh, trốn cổ. Gọi số xylanh của động cơ là z và số ổ đỡ là i. Trục khuỷu đủ cổ ( hình 3.25): i = z + 1, Trục khuỷu trốn cổ: i < z + 1. Thông thường i= z/2 +1 (hình 3. 27) *). Người ta chia trục khuỷu ra thanh các phần: - Đầu trục khuỷu: Hình 1.28. Một loại kết cấu đầu trục khuỷu động cơ ô tô 1: Cổ biên 2: Buly Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 45 Hình 3. 28 đầu trục lắp vấu để quay trục khi cần thiết hoặc để khởi động bằng tay quay. Trên đầu trục khuỷu thường có then để lắp puli dẫn động quạt gió, bơm nước cho hệ thống làm mát, giảm dao động xoắn (nếu có) và lắp bánh răng trục khuỷu. Bộ truyền bánh răng từ trục khuỷu đẻ dẫn động trục cam phối khí và bơm cao áp (của động cơ điezen) hoặc bộ chia điện dánh lửa (của động cơ xăng) và bơm dầu của hệ thống bôi trơn . Ngoài ra đầu trục khuỷu loại này còn có kết cấu hạn chế di chuyển dọc trục. Các bề mặt đầu của cổ trục đầu tiên khi di chuyển dọc trục sẽ tỳ vào các tấm chắn có tráng hợp kim chịu mòn. - Cổ khuỷu: Được gia công và sử lí bề mặt đạt độ cứng và độ bóng cao. Thường các cổ trục cùng một đường kính. Đặc biệt có động cơ cỡ lớn đường kính cổ trục lớn dần từ đầu đến đuôi trục khuỷu để có sức bền đều. Cổ khuỷu thường rỗng để làm rãnh dẫn dầu bôi trơn đến các cổ và chốt khác của trục khuỷu. - Chốt khuỷu: Chốt khuỷu có độ cứng và độ bóng cao. Đường kính chốt thường nhỏ hơn đường kính cổ, nhưng cũng có những trường hợp động cơ cao tốc do lực quán tính lớn đường kính chốt khuỷu có thể bằng đường kính cổ khuỷu. Trong trường hợp đầu to thanh truyền làm liền khối lắp ổ bi kim ở một số động cơ 2 kỳ. Do phải lắp lồng thanh truyền từ đầu trục khuỷu nên đường kính chốt phải lớn hơn đường kính cổ. Chốt khuỷu có thể làm rỗng để giảm trọng lượng và chứa đầu bôi trơn lên bề mặt chốt khuỷu. Các phương pháp kết cấu như trên hình 3. 29: Hình 3. 29. Kết cấu dẫn dầu bôi trơn chốt khuỷu - Má khuỷu: Hình 3. 30. Các dạng má khuỷu Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 46 Má khuỷu đơn giản và dễ ra công nhất là có dạng chữ nhật và dạng tròn (hình 3.30a và b). Đối với động cơ có cổ khuỷu lắp ổ bi, má khuỷu tròn đồng thời đóng vai trò cổ khuỷu. Để giảm trọng lượng người ta thiết kế má khuỷu chữ nhật được vát góc (hình 3.30.c). Má khuỷu ôvan (hình 3. 30.d) có sức bền đều. Để trục khuỷu có độ cứng vững và sức bền cao trục khuỷu thường được thiết kế có độ trùng điệp. Độ trùng điệp kí hiệu là  (hình 3.31.a) có thể xác định theo công thức sau: Độ trùng điệp càng lớn, độ cứng vững và độ bền của toàn bộ trục khuỷu càng cao. Hình 3. 31. Các biện pháp kết cấu tăng bền má khuỷu Để tránh tập trung ứng suất, giữa má và cổ khuỷu chốt khuỷu thường có các bán kính chuyển tiếp (hình 3. 31.b) - Đối trọng: Đối trọng là các khối lượng gắn trên trục khuỷu để tạo ra lực quán tính ly tâm. nhằm những mục đích sau: - Cân bằng lực quán tính ly tâm Pk của trục khuỷu (hình 3. 32.a). - Cân bằng một phần lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp một (hình 3. 32.b) Hình 3. 32. Vai trò của đối trọng - Đối trọng là nơi để khoan bớt các khối lượng khi cân bằng động hệ trục khuỷu. - Giảm tải trọng tác dụng cho một cổ khuỷu, ví dụ cho cổ giữa trục khuỷu động cơ 4 kỳ, 4 xylanh (hình 3. 32.d). Đối với trục khuỷu này, các lực quán tính ly tâm Pk tự cân bằng nhưng tạo ra R dd cch    2  22 2mRPjl  Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 47 cặp mômen Mpk luôn gây uốn cổ giữa. Khi có đối trọng cặp mômen Mpdt của đối trọng sẽ cân bằng lực mômen Mpk nên giảm được tải cho cổ giữa. - Về mặt kết cấu có các loại đối trọng sau: Hình 3.33. Kết cấu đối trọng - Đối trọng liền với má khuỷu (hình 3. 33.a). - Đối trọng được làm rời. Được lắp bằng bu lông với trục khuỷu (hình 3. 33.b). - Lắp với trục khuỷu bằng rãnh mang cá và được kẹp chặt bằng bu lông (hình 3. 33.c) - Đuôi trục khuỷu: Hình 3.34 đuôi trục khuỷu có mặt bích để lắp bánh đà và được làm rỗng để lắp vàng bi đỡ trục sơ cấp hộp số. Trên bề mặt ngõng trục có mặt phớt chặn dầu tiếp đó là ren hồi dầu có chiều xoắn ngược với chiều quay của trục khuỷu để gạt dầu trở lại. Sát với cổ trục cuối cùng là đĩa chắn dầu. Ngoài ra, ở một số động cơ đuôi trục khuỷu còn làm là nơi lắp chắn di chuyển dọc trục, lắp bánh răng dẫn động các cơ cấu phụ như bơm cao áp, bơm dầu. Hình 3. 34. Một loại kết cấu đuôi trục khuỷu ô tô Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 48 3. 5.2. Bánh đà 3. 5.2.1. Chức năng - Giữ cho độ không đồng đều của động cơ nằm trong giới hạn cho phép. - Là nơi lắp các chi tiết của cơ cấu khởi động. - Là nơi đánh dấu tương ứng với điểm chết và khắc vạch chia độ góc quay của trục khuỷu. 3. 5.2.2. Kết cấu Theo kết cấu người ta chia bánh đà thành các loại sau: - Bánh đà dạng đĩa (hình 3. 35.a). Bề mặt bánh đà được gia công phẳng, nhẵn để lắp đĩa ma sát và đĩa é ply hợp. Trên bánh đà được lắp ép vành răng khởi động. - Bánh đà dạng vành (hình 3. 35.b) là bánh đà dày có mômen quán tính lớn. Một số động cơ còn sử dụng bánh đà như một buly để truyền công suất ra kéo các máy công tác. Hình 3.35. Kết cấu bánh đà - Bánh đà dạng chậu (hình 3. 35.c) là bánh đà có dạng trung gian của hai loại trên. Bánh đà loại này có mômen quán tính và sức bền lớn thường gặp ở động cơ máy kéo. - Bánh đà dạng vành có nan hoa (hình 3. 35.d) để tăng mômen quán tính của bánh đà, phần lớn khối lượng của bánh đà ở dạng vành xa tâm quay và nối với mayơ bằng các gân kiểu nan hoa. - Bánh đà của động cơ cỡ lớn như động cơ tàu thủy cỡ lớn chẳng hạn thường được ghép từ nhiều phần giống nhau để dễ chế tạo. Thông thường sau khi chế tạo, bánh đà và trục khuỷu thường được lắp với nhau rồi cân bằng động. Giữa trục khuỷu và bánh đà đều có kết cấu định vị để đảm bảo vị trí tương quan không thay đổi. Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 49 Chương 4: HỆ THỐNG PHỐI KHÍ 4.1. Chức năng, yêu cầu và phân loại. 4.1.1. Chức năng Cơ cấu phân phối khí dùng thực hiện quá trình trao đổi khí, thải khí đã cháy (khí thải) ra khỏi xylanh và nạp hỗn hợp khí (động cơ xăng) hoặc không khí sạch (động cơ diesel) vào xylanh để động cơ làm việc liên tục. 4.1.2. Yêu cầu - Đảm bảo chất lượng của quá trình trao đổi khí. - Độ mở lớn. - Đóng mở đúng thời điểm quy định. - Đảm bảo đóng kín buồng cháy. - Độ mòn của chi tiết ít nhất và tiếng kêu nhỏ nhất. - Dễ điều chỉnh và sửa chữa. - Giá thành thấp. 4.1.3. Phân loại: - Cơ cấu phối khí dùng xuppáp. + Cơ cấu phân phối khí dùng xu páp đặt + Cơ cấu phân phối khí dùng xu páp treo - Cơ cấu phối khí dùng van trượt. - Cơ cấu phối khí dùng piston đóng mở cửa nạp và cửa thải. - Cơ cấu phối khí hiện đại điều khiển điện tử : VVT-I 4.2. Pha phối khí động cơ đốt trong (động cơ xăng và diezel). Khi giới thiệu về động cơ, chúng ta cho rằng thời điểm đóng mở các xuppáp khi piston lên đến ĐCT hoặc xuống ĐCD trên thực tế khi muốn xả sạch khi thải và nạp đầy khí mới vào xylanh để tăng công suất động cơ cần phải mở sớm, đóng muộn các xuppáp nạp, xuppáp xả. Xuppáp nạp cần mở sớm vào cuối quá trình xả khi piston còn đi lên để khi piston lên đến ĐCT bắt đầu đi xuống thì thực hiện quá trình hút thì xuppáp nạp đã được mở, tạo ra tiết diện lưu thông tương đối lớn giúp khí mới dễ dàng đi vào xylanh. Xuppáp nạp cũng cần đóng muộn sau khi piston tới ĐCD để tận dụng chênh áp và quán tính của dòng khí hút được nhiều khí mới vào xylanh. Giai đoạn từ lúc mở đến lúc đóng tính bằng góc quay của trục khuỷu được gọi là pha phối khí. Dưới đây giới thiệu về sơ đồ pha phối khí động cơ 4 kỳ. Các góc φ thể hiện giá trị: φ1: Góc mở sớm xuppáp nạp, φ2: Góc đóng muộn xuppáp nạp, φ1- 2: Toàn bộ góc mở của xuppáp nạp, φ3: Góc phun sớm, φ2-3: góc ứng với quá trình nén, φ3-4-5: Góc ứng với quá trình cháy và quá trình giãn nở, φ5: Góc mở sớm xuppáp thải, φ6: Góc đóng muộn xuppáp thải, φ5-6: Toàn bộ góc mở của xuppáp thải, φ1+ φ6: Góc trùng điệp của xuppáp thải và xuppáp nạp. Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 50 Hình 4.1. Đồ thị công và sơ đồ pha phối khí của động cơ 4 kỳ. 1: Vị trí mở xuppáp nạp 4: Vị trí cuối quá trình cháy 2: VỊ trí đóng xuppáp nạp 5: Vị trí mở xuppáp thải 3’: Vị trí phun nhiê liệu; 6: Vị trí đóng xuppáp thải 3: Vị trí điểm chết trên 4.3. Kết cấu và hoạt động của hệ thống phối khí. 4.3.1. Cơ cấu phối khí cơ bản. Kết cấu cơ cấu phân phối khí cơ bản gồm: Trục cam, xuppáp, đế xuppáp, lò xo xuppáp, con đội, đòn gánh..v.v. 4.3.1.1. Xuppáp. Theo kết cấu của xuppáp người ta chia xuppáp thành ba phần: Nấm xuppáp, thân xuppáp, và đuôi xuppáp. a). Nấm xuppáp Mặt làm việc quan trọng của nấm xuppáp là mặt côn, có góc độ α = 15÷ 45o. Góc α càng nhỏ tiết diện lưu thông càng lớn, tuy nhiên α càng nhỏ mặt nấm càng mỏng, độ cứng vững càng kém do đó dễ bị cong vênh, tiếp xúc không kín khít với đế xup páp. Hình 4.2. Xuppáp Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 51 Góc của mặt côn trên nấm xuppáp thường làm nhỏ hơn góc mặt côn trên đế xuppáp khoảng 0,5- 1 o để xuppáp có thể tiếp xúc với đế theo vòng tròn ở mép ngoài của mặt côn (nếu mặt đế xuppáp nhỏ hơn mặt côn của xup páp). Làm như thế có thể bảo đảm tiếp xúc được kín khít dù bề mặt nấm có thể bị biến dạng nhỏ. Hình 4.3. Kết cấu nấm xuppáp. a: Nấm bằng b: Nấm lõm c: Nấm lồi d: Nấm chứa natri Kết cấu của nấm xuppáp thường có ba loại chính sau đây: - Nấm bằng: Ưu điểm là chế tạo đơn giản, có thể dùng cho cả xuppáp thải và xuppáp nạp. Vì vậy đa số động cơ thường dùng loại nấm này. - Nấm lõm: Đặc điểm là bán kính góc lượn giữa phần thân xup páp và phần nấm rất lớn nhằm cải thiện tình trạng lưu thông của dòng khí nạp, tăng được độ cứng vững cho nấm xuppáp. Mặt dưới của nấm được khoét lõm sâu để giảm trọng lượng. Nhược điểm là chế tạo khó và mặt chịu nhiệt của xuppáp lớn, xuppáp dễ bị quá nóng. - Nấm lồi: Cải thiện được tình trạng lưu động của dòng khí thải. Chính vì vậy xuppáp thải của tất cả các động cơ cường hóa đều làm theo dạng nấm lồi. Để giảm trọng lượng của nấm lồi, người ta thường khoét lõm phía trên phần nấm. Nhược điểm là khó chế tạo và bề mặt chịu nhiệt của nấm lớn. b). Thân xuppáp. Dùng để dẫn hướng xuppáp. Thân xuppáp có đường kính khoảng dt = ( 0,3 ÷ 0,4)dn. Trong đó dn là đường kính của nấm xuppáp. Chiều dài của xuppáp phụ thuộc vào cách bố trí xuppáp: lt = (2,5 ÷ 3,5)dn . Hình 4.4. Kết cấu thân xuppáp. a: Thân xup páp. b: Thân xuppáp chứa natri. Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 52 Để tránh xuppáp bị mắc kẹt trong ống dẫn hướng khi bị đốt nóng, đường kính của thân xup páp ở phần nối tiếp với nấm xuppáp thường làm nhỏ đi một ít hoặc khoét rộng lỗ của ống dẫn hướng xuppáp ở phần này. c). Đuôi xuppáp Đuôi xuppáp phải có kết cấu để lắp đĩa lò xo xuppáp. Thông thường đuôi xuppáp có mặt côn (như hình 4.5.a) hoặc rãnh vòng (như hình 4.5.b) để lắp móng hãm. Kết cấu đơn giản nhất để lắp đĩa lò xo là dùng chốt (hình 4.5.c) nhưng có nhược điểm là tạo ứng suất tập trung. Đuôi xuppáp phải có kết cấu để lắp đĩa lò xo xuppáp. Thông thường đuôi xuppáp có mặt côn (như hình 4.5.a) hoặc rãnh vòng (như hình 4.5.b) để lắp móng hãm. Kết cấu đơn giản nhất để lắp đĩa lò xo là dùng chốt (hình 4.5.c) nhưng có nhược điểm là tạo ứng suất tập trung. Để tăng khả năng chịu mòn, bề mặt đuôi xuppáp ở một số động cơ được tráng lên một lớp thép hợp kim cứng (thép stenlit) hoặc chụp vào phần đuôi một nắp bằng thép hợp kim cứng (như hình 4.5.d). 4.3.1.2. Đế xuppáp. Kết cấu đế xuppáp chỉ là một vòng hình trụ rỗng trên có vát mặt côn để tiếp xúc với mặt côn của nấm xuppáp. Một vài loại đế xuppáp thường dùng giới thiệu trên hình Mặt ngoài của đế xuppáp có thể là: - Hình trụ trên có tiện rãnh đàn hồi. - Có khi mặt ngoài có độ côn nhỏ (khoảng 12o). - Một số loại đế được lắp ghép bằng ren. Hình 4.5. Kết cấu đuôi xuppáp Hình 4.6. Kết cấu đế xuppáp. Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 53 Đế xuppáp thường được làm từ thép hợp kim hay gang hợp kim (gang trắng). Chiều dày của đế nằm trong khoảng (0,08 ÷ 0,15)do. Chiều cao của đế nằm trong khoảng (0,18 ÷ 0,25)do (do là đường kính họng đế). Đế xuppáp bằng thép hợp kim thường được ép vào thân máy hoặc nắp xylanh với độ dôi 0,0015 ÷ 0,0035 đường kính ngoài của đế. 4.3.1.4. Lò xo xuppáp. - Lò xo xuppáp để đóng kín xuppáp trên đế xuppáp. - Đảm bảo xuppáp chuyển động đúng quy luật của cam phân phối khí. - Đảm bảo quá trình mở, đóng xuppáp không có hiện tượng va đập trên mặt cam. - Loại lò xo thường dùng nhất là lò xo xoắn ốc hình trụ, hai vòng ở hai đầu lo xo quấn xít nhau và mài phẳng để lắp ghép. - Trong động cơ cường hóa và cao tốc, mỗi xuppáp thường lắp một đến ba lò xo lồng vào nhau. Các lò xo này có chiều xoắn ngược nhau để khi làm việc khỏi kẹt vào nhau. 4.3.1.5. Trục cam. Trục cam thường bao gồm các phần cam nạp, cam xả và các cổ trục có thể còn có cam dẫn động bơm xăng, bơm cao áp và bánh răng dẫn động bơm dầu, bộ chia điện .v.v. . Hình 4.8. Lò xo xu páp Hình 4.9. Cam xuppáp. 1. Các cổ trục. 3. Bánh răng. 2. Các vấu cam. 4. Bánh lệch tâm Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 54 Trong động cơ ô tô trục cam thường sử dụng các cam làm liền trục. Trong các động cơ tĩnh tại và tàu thủy, cam nạp và cam thải thường làm rời từng cái rồi lắp trên trục bằng then hoặc đai ốc. Hình dạng và thứ tự của cam phối khí được quyết định bởi thứ tự làm việc, góc độ phân phối khí và số kỳ của động cơ, kích thước xy lanh. Kích thước của cam chế tạo liền trục thường nhỏ hơn đường kính cổ trục. Ngược lại các cam lắp rời thường có kích thước lớn hơn cổ trục. 4.3.1.6. Con đội Là chi tiết truyền lực trung gian và thay thế xuppáp chịu lực nghiêng do cam phối khí gây ra. Kết cấu con đội gồm hai phần: Phần dẫn hướng (thân con đội) và phần mặt tiếp xúc với cam phối khí. Thân con đội có dạng hình trụ, còn phần mặt tiếp xúc thường có nhiều dạng khác nhau. Con đội có thể chia làm ba loại chính: Con đội hình nấm và hình trụ: con đội lăn; con đội thủy lực. a). Con đội hình nấm và hình trụ Khi dùng loại con đội này, loại cam phối khí phải dùng cam lồi. Đường kính của mặt nấm tiếp xúc với trục cam phải lớn để tránh hiện tượng kẹt. Hình 4.10. Trục cam 1. Đầu trục cam. 4. Cam lệch tâm bơm xăng 2. Cổ trục cam. 5. Cam bánh răng dẫn động bơm dầu bôi trơn. 3. Cam nạp và cam thải. Hình 4.12. Con đội hình nấm và con đội hình trụ. Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 55 Loại con đội hình nấm được sử dụng nhiều trong cơ cấu phân phối khí kiểu xuppáp đặt. thân con đội thường nhỏ, đặc, vít điều chỉnh khe hở xup páp bắt trên phần đầu của thân. b). Con đội lăn Con đội lăn có thể dùng cho tất cả các dạng cam, nhưng thường dùng với dạng cam tiếp tuyến và cam lõm. Ưu điểm là ma sát nhỏ và phản ánh chính xác quy luật chuyển động nâng hạ của cam tiếp tuyến và cam lõm. Nhược điểm là kết cấu phức tạp. c). Con đội thủy lực Khi trục cam quay đến vị trí nâng cao con đội, thân con đội 7 và xylanh 8 được cam đẩy lên. Dầu nhờn được chứa trong khoang dưới của piston bị lén lại, Bi 5 của van một chiều đóng kín trên đế van của ống 4. Do đó piston 1 được đẩy lên mở xuppáp ra. Do lực của lò xo xuppáp tác dụng lên đầu piston 1 nên trong quá trình con đội đi lên dầu trong khoang chứa phía dưới piston 1 bị nén lại, một phần dầu sẽ rỉ ra qua khe hở giữa piston và xylanh 8 ra ngoài. Trong quá trình xuppáp đóng, con đội đi xuống, khi xuppáp đóng kín trên đế xuppáp con đội đi xuống vị trí thấp nhất. lúc này lỗ dầu 3 trên thân con đội trùng với lỗ dầu trên thân máy. Đồng thời lò xo 2 đẩy piston 1 đi lên cho tới khi đầu piston chạm vào đuôi xuppáp. Do đó trong cơ cấu phân phối khí không có khe hở nhiệt, khi piston 1 bị lò xo 2 đẩy lên, trong khoan chứa dầu phía piston có độ chân không. Dầu nhờn đi qua lỗ 3 và ống đế van 4 đầy bị 5 mở ra bổ xung vào khoang chứa dầu này. Loại con đội thủy lực dùng trong cơ cấu phân phối khí loại xuppáp treo giới thiệu trên hình 4.23b có nguyên lý làm việc tương tự. - Ưu điểm của con đội thủy lực là có thể thay đổi tự động trị số thời gian, tiết diện của cơ cấu phân phối khí rất có lợi trong quá trình nạp khi động cơ chạy ở tốc độ cao. Hình 4.13. Con đội con lăn. Hình 4.14. Con đội thủy lực 1: Piston 2: Lòng dẫn hướng 3: Lồ xo 4: Van bi 5: Thân con đội 6: Đường dầu vào 7: Lò xo van bi 8: Xylanh Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 56 - Nhược điểm của con đội thủy lực là: Chất lượng quá trình làm việc của con đội thủy lực phụ thuộc vào chất lượng dầu nhờn. 4.3.2. Cơ cấu điều khiển pha phối khí (hệ thống điều khiển thời điểm phối khí VVT-I). Thông thường thời điểm phối khí được cố định nhưng hệ thống VVT-I dùng áp suất dầu thủy lực làm soay trục cam dẫn đến thay đổi thời điểm phối khí. Làm tăng công suất và giảm ô nhiễm. Hình 4.17. Hệ thống VVT-I. a). Hoạt động của hệ thống VVT-I - Khi ở nhiệt độ thấp, khi tốc độ thấp và tải nhẹ, khi tải nhẹ: Thời điểm phối khí của trục cam nạp được làm trễ lại và độ trùng lặp xuppáp được làm giảm đi để làm giảm lượng khí xả chạy ngược lại phía nạp. Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 57 - Khi tải trung bình hay ở tốc độ thấp và trung bình ở tải nặng: Thời điểm phối khí được làm sớm lên và độ trùng lặp xuppáp tăng lên, thời điểm đóng xuppáp nạp cũng được làm sớm lên. - Khi chạy ở tốc độ cao và tải nặng: Thời điểm phối khí được làm sớm lên và độ trùng lặp tăng lên, thời điểm đóng xuppáp nạp cũng được đẩy sớm lên. b). Cấu tạo Hình 4.18. Cấu tạo hệ thống VVT-I. - Bộ điều khiển VVT-I: Bao gồm một bộ vỏ được dẫn động bằng xích cam và các cánh gạt được cố định trên trục cam. Áp suất dầu được gửi từ phía làm sớm hay làm muộn làm quay các cánh gạt điều khiển trục cam thay đổi liên tục thời điểm phối khí của trục cam nạp. Khi động cơ ngừng hoạt động trục cam nạp sẽ chuyển động đến thời điểm muộn nhất để duy trì khả năng khởi động. Chốt hãm có tác dụng hãm các cơ cấu của hệ thống VVT-I làm giảm tiếng gõ khi hệ thống ngừng hoạt động. - Van điều khiển phối khí trục cam: Theo sự điều khiển của ECU điều khiển vị trí của van ống phân phối áp suất dầu cấp cho VVT-I. c). Hoạt động Hệ thống VVT-I gồm ba hoạt động chính:làm sớm thời điểm phối khí, làm muộn thời điểm phối khí, và giữ nguyên vị trí trục cam. Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 58 - Làm sớm thời điểm phối khí: Khi van điều khiển dầu phối khí ở vị trí như trên hình vẽ áp suất dầu tác dụng lên khoang cánh gạt phía làm sớm thời điểm phối khí. Hình 4.19. Làm sớm thời điểm phối khí. - Làm muộn thời điểm phối khí: Khi van điều khiển dầu phối khí ở vị trí như trên hình vẽ áp suất dầu tác dụng lên khoang cánh gạt phía làm muộn thời điểm phối khí Hình 4.20. Làm muộn thời điểm phối khí. - Giữ nguyên thời điểm phối khí: Hình 4.21. Giữ thời điểm phối khí Khi ECU tính toán góc phối khí chuẩn theo tình trạng làm việc hiện hành. Van điều khiển dầu phối khí trục cam duy trì đường dầu đóng Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 59 4.3.3. Cơ cấu điều khiển hành trình xuppáp (Hệ thống VVTL-I). Hệ thống này dựa trên hệ thống VVT-I và áp dụng cơ cấu đổi vấu cam để thay đổi hành trình xuppáp. Điều này cho phép đạt được công suất cao mà không ảnh hưởng đến tính kinh tế nhiên liệu cũng như ô nhiễm khí xả. Hình 4.22. Cơ cấu điều khiển hành trình xuppáp. 4.3.3.1. Cấu tạo - Van điều khiển dầu cho VVTL-I: Van điều khiển dầu cho VVTL-I điều khiển áp suất dầu cung cấp đến phía cam tốc độ cao của cơ cấu chuyển vấu cam. - Trục cam và cò mổ: Để thay đổi hành trình Xuppáp trục cam có hai loại vấu cam, vấu cam tốc độ cao và vấu cam tốc độ thấp cho mỗi xylanh. Cơ cấu chuyển vấu cam được lắp bên trong cò mổ giữa xup páp và vấu cam. Áp suất dầu từ van điều khiển dầu của VVT-L đến lỗ dầu trong cò mổ, và áp suất này đẩy chốt hãm bên dưới chốt đệm. Nó cố định chốt đệm và ấn khớp cam tốc độ cao. Khi áp suất dầu ngừng tác dụng, chốt hãm được trả về bằng lực của lò xo và chốt đệm được tự do và có thể di chuyển tự do theo phương thẳng đứng, vấu cam tốc độ cao bị vô hiệu hóa. 4.3.3.2. Hoạt động Trục cam nạp và xả có các vấu cam với hai hành trình khác nhau cho từng xylanh, và ECU động cơ chuyển những vấu cam hoạt động bằng áp suất dầu. - Tốc độ thấp và trung bình (Vđc< 6000v/p): Van điều khiển dầu mở phía xả. Do đó áp xuất dầu không tác dụng lên cơ cấu chuyển vấu cam. Chốt hãm có thể chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng, vấu cam tốc độ cao bị vô hiệu hóa, xu páp được dẫn động bằng vấu cam tốc độ thấp và trung bình. Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 60 Hình 4.23. Hoạt động tại tốc độ thấp - Tốc độ cao(Vđc> 6000v/p, nhiệt độ nước làm mát cao hơn 60 o c): Phía xả của van điều khiển dầu được đóng lại, áp suất dầu tác dụng lên phía cam tốc độ cao của cơ cấu chuyển vấu cam. Áp suất dầu ấn chốt hãm bên dưới chốt đệm và cò mổ giữ chốt đệm và cò mổ. Cam tốc độ cao tác dụng cò mổ trước khi cam tốc độ thấp và trung bình tác dụng đến con lăn. Lúc này xup páp được dẫn động bằng cam tốc độ cao. Hình 4.24. Hoạt động tại tốc độ cao. 4.3.4. Đường nạp và xả khí của động cơ. 4.3.4.1. Sơ đồ các đường nạp. Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 61 4.3.4.2 Sơ đồ nạp cộng hưởng. Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 62 4.3.4.3. Sơ đồ bố trí các đường thải. Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 63 Hình 2.27. Sơ đồ các cách bố trí đường thải Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 64 Hình 5.1. Các dạng bôi trơn CHƢƠNG 5: HỆ THỐNG BÔI TRƠN 5.1. Công dụng, yêu cầu và phân loại 5.1.1. Công dụng Hệ thống bôi trơn có nhiệm vụ đưa dầu bôi trơn đến các bề mặt ma sát để giảm tổn thất công suất do ma sát gây ra và làm sạch các bề mặt. Ngoài ra hệ thống bôi trơn còn có các nhiệm vụ làm mát, bao kín buồng cháy và chống ôxy hóa. - Bôi trơn bề mặt ma sát làm giảm tổn thất ma sát. - Làm mát bề mặt làm việc của các chi tiết có chuyển động tương đối. - Tẩy rửa bề mặt ma sát. - Bao kín khe hở các cặp ma sát. - Chống ôxy hóa. - Rút ngắn quá trình chạy rà của động cơ. 5.1.2. Yêu cầu đối với hệ thống bôi trơn - Áp suất bôi trơn phải đảm bảo đủ lượng dầu đi bôi trơn. - Áp suất của dầu bôi trơn trong hệ thống phải đảm bảo từ 2- 6kg/cm2. - Dầu bôi trơn trong hệ thống phải sạch, không bị biến chất, độ nhớt phải phù hợp. - Dầu bôi trơn phải đảm bảo đi đến tất cả các bề mặt làm việc của các chi tiết để bôi trơn và làm mát cho các chi tiết. 5.1.3. Phân loại - Bôi trơn ma sát khô: Bề mặt lắp ghép của hai chi tiết có chuyển động tương đối với nhau mà không có chất bôi trơn. Ma sát khô sinh ra nhiệt làm nóng các bề mặt ma sát khiến chúng nhanh mòn hỏng, có thể gây ra mài mòn dính. - Bôi trơn ma sát ướt: Là dạng bôi trơn mà giữa hai bề mặt của cặp lắp ghép luôn luôn được duy trì bằng một lớp dầu bôi trơn ngăn cách. - Bôi trơn ma sát nửa ướt: Là dạng bôi trơn mà giữa hai bề mặt của cặp lắp ghép được duy trì bằng một lớp dầu bôi trơn ngăn cách không liên tục, mà chủ yếu là nhờ độ nhớt của dầu để bôi trơn. Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 65 5.2. Các phƣơng án bôi trơn 5.2.1. Hệ thống bôi trơn cácte ướt a). Sơ đồ nguyên lý b). Nguyên lý làm việc: Khi động cơ làm việc bơm dầu được dẫn động lúc này dầu trong cácte 1 qua phao lọc dầu 2 đi vào bơm. Sau khi qua bơm dầu có áp suất cao khoảng 2-6 Kg/cm2.được chia thành hai nhánh: - Nhánh 1: Dầu bôi trơn đến két 12, tại đây dầu được làm mát rồi trở về cácte nếu nhiệt độ dầu cao quá quy định. - Nhánh 2: Đi qua bầu lọc thô 5 đến đường dầu chính 8. Từ đường dầu chính dầu theo nhánh 9 đi bôi trơn ổ trục khuỷu sau đó lên bôi trơn đầu to thanh truyền qua lỗ khoan chéo xuyên qua má khuỷu (khi lỗ đầu to thanh truyền trùng với lỗ khoan trong cổ biên dầu sẽ được phun thành tia vào ống lót xylanh). Dầu từ đầu to thanh truyền theo đường dọc thân thanh truyền lên bôi trơn chốt piston. Còn dầu ở mạch chính theo nhánh 10 đi bôi trơn trục camcũng từ đường dầu chính một đường dầu khoảng 15 - 20% lưu lượng của nhánh dầu chính dẫn đến bầu lọc tinh 11. Tại đây những phần tử tạp chất rất nhỏ được giữ lại nên dầu được lọc rất sạch. Sau khi ra khỏi bầu lọc tinh với áp suất còn lại rất nhỏ dầu trở về cácte 1. Van ổn áp 4 của bơm dầu có tác dụng giữ cho áp suất dầu ở đường ra khỏi bơm không đổi trong phạm vi tốc độ vòng quay làm việc của động cơ. Khi bầu lọc thô 5 bị tắc van an toàn 6 sẽ mở, phần lớn dầu sẽ không đi qua bầu lọc mà lên thẳng đường dầu chính bằng đường dầu qua van để đi bôi trơn, tránh hiện tượng thiếu dầu cung cấp đến các bề mặt ma sát cần bôi trơn. Hình 5.2. Hệ thống bôi trơn cácte ướt. 1: Các te dầu 9: Đường dầu đến ổ trục khuỷu 2: Phao lọc dầu 10: Đường dầu đến ổ trục cam 3: Bơm dầu 11: Bầu lọc tinh 4: Van điều áp 12: Két làm mát dầu 5: Bầu lọc dầu 13: Van nhiệt 6: Van an toàn 14: Đồng hồ báo mức dầu 7: Đồng hồ đo áp suất 15: Miệng đổ dầu 8: Đường dầu chính 16: Que thăm dầu. Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 66 Van nhiệt 13 chỉ hoạt động (đóng) khi nhiệt độ dầu lên quá cao khoảng 800C. Dầu sẽ qua két làm mát 12 trước khi về cácte. 5.2.2. Hệ thống bôi trơn cácte khô a). Sơ đồ nguyên lý b). Nguyên lý làm việc : HTBT cácte khô khác cơ bản với HTBT cácte ướt ở chỗ có thêm từ một đến hai bơm dầu số 2, làm nhiệm vụ chuyển dầu sau khi bôi trơn rơi xuống cácte. Từ cácte dầu qua két làm mát 13 rồi về thùng chứa 3 bên ngoài động cơ. Từ đây dầu được bơm lấy đi bôi trơn giống như ở HTBT cácte ướt. 5.3. Kết cấu và hoạt động của các cụm trong hệ thống bôi trơn 5.3.1. Bơm dầu Bơm dầu có nhiệm vụ hút dầu từ thùng chứa qua phao lọc và đẩy qua các bầu lọc với một áp suất nhất định để đi bôi trơn các chi tiết trong động cơ. Trên ô tô hiện nay thường sử dụng các loại bơm dầu sau: - Bơm bánh răng: + Bơm bánh răng ăn khớp ngoài. + Bơm bánh răng ăn khớp trong. - Bơm kiểu piston. - Bơm cánh gạt. - Bơm rô to. Hình 5.3. Hệ thống bôi trơn các te khô. 1: Các te dầu 8: Đường dầu chính 2,5: Bơm dầu 9: Đường dầu đến ổ trục khuỷu 3: Thùng dầu 10: Đường dầu đến ổ trục cam 4: Phao hút dầu 11: Bầu lọc tinh 6: Bầu lọc thô 12: Đồng hồ báo nhiệt độ dầu 7: Đồng hồ báo áp suất 13: Két làm mát dầu Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 67 5.3.1.1. Bơm bánh răng ăn khớp ngoài a). Sơ đồ cấu tạo Cấu tạo gồm có: Thân bơm đúc bằng gang hoặc thép. Trong thân bơm có khoang rỗng chứa hai bánh răng. Thông với khoang này có đường dầu vào 6 và đường dầu ra 5. Nối giữa hai đường là van ổn áp gồm có lò xo 10 và viên bi cầu 11. Bánh răng chủ động 4 được lắp cố định với trục chủ động còn bánh răng bị động 2 lắp quay trơn trên trục. b). Nguyên lý làm việc Khi động cơ làm việc thông qua trục cam bằng cặp bánh răng ăn khớp làm cho bánh răng chủ động 4 quay, bánh răng bị động 2 sẽ quay theo chiều ngược lại. Ở khoang B khi các bánh răng ra khớp sẽ làm thể tích khoang B tăng lên áp suất sẽ giảm, dầu được hút từ cácte qua phao đi vào buồng hút. Dầu từ khoang B điền đầy vào khoảng giữa hai răng rồi được guồng sang phía khoang A. Tại đây do các bánh răng vào khớp thể tích giảm, áp suất tăng dầu bị ép nên có một áp suất nhất định đi theo đường dầu ra lên bầu lọc thô. Khi áp suất ở phía buồng đẩy quá lớn. Áp lực dầu thắng sức căng lò xo 10 mở bi 11 để tạo ra một dòng dầu chảy ngược về đường dầu vào. Áp suất dầu sẽ giảm đi van bi đóng lại ngăn không cho dầu từ buồng đẩy về đến buồng hút. Rãnh giảm áp 3 có tác dụng tránh hiện tượng chèn dầu giữa các răng khi vào khớp. Nhờ vậy giảm được ứng suất và sức mỏi của bánh răng. Đối với loại bơm này, lưu lượng và hiệu suất bơm phụ thuộc rất nhiều vào khe hở hướng kính giữa đỉnh răng với thân bơm, khe hở hướng trục giữa mặt đầu bánh răng và nắp bơm. Thông thường các khe hở này không vượt quá 0,1mm. Hình 5.6. Bơm dầu kiểu bánh răng ăn khớp ngoài A - Buồng đẩy. B - Buồng hút. 1: Thân bơm 7: Đệm làm kín 2: Bánh răng bị động 8: Nắp điều chỉnh van 3: Rãnh giảm áp 9: Tấm đệm điều chỉnh 4: Bánh răng chủ động 10: Lò xo 5: Đường dầu ra 11: Viên bi. 6: Đường dầu vào Khoa C¬ khÝ §éng lùc - Tr-êng §¹i häc SPKT - H-ng Yªn Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 68 5.3.1.2. Bơm bánh răng ăn khớp trong a. Sơ đồ cấu tạo Bơm này thường được lắp trên đầu trục khuỷu vành ngoài của bơm lắp với ổ trục vành trong lắp với trục khuỷu. Ưu điểm của loại này là kết cấu gọn nhẹ, lưu lượng bơm lớn. 1: Bánh răng ngoài 2: Khoang hút 3: Van ổn định 4: Buồng đẩy 5: Bánh răng trong 6: Khoang lưỡi liềm Hình 5.7. Bơm dầu kiểu bánh răng ăn khớp trong. b). Nguyên lý làm việc Khi động cơ làm việc, bánh răng trong được dẫn động và quay với tỉ số truyền thích hợp. Do bánh răng trong luôn luôn ăn khớp với bánh răng ngoài lên làm bánh răng ngoài quay theo cùng chiều. Dầu được hút ở nơi các bánh răng ra khớp (có thể tích tăng áp suất giảm) và guồng sang phía các răng vào khớp. Tại đây dầu sẽ có một áp suất cao nhất định được chuyển qua phía đường ra đi bôi trơn. 5.3.1.3. Bơm cánh gạt a). Sơ đồ cấu tạo b). Nguyên lý làm việc Rô to 5 nhận được truyền động từ trục cam hoặc bộ chia điện. Khi rô to quay mang theo các phiến gạt 3 quay. Nhờ lực văng ly tâm và lò xo 7 phiến gạt 3 luôn luôn tì sát bề mặt vỏ bơm 1 tạo thành các không gian kín. Và nhờ rô to và stato lắp lệch tâm tạo ra buồng hút và buồng đẩy. Ở buồng hút thể tích tăng, áp suất giảm dầu được hút từ thùng chứa và được các phiến gạt, gạt sang phía buồng đẩy. Loại bơm này có ưu điểm rất đơn giản, nhỏ gọn. Nhưng nhược điểm là mài mòn bề mặt tiếp xúc giữa phiến gạt và thâ