Nghiên cứu và khảo sát hệ thống bôi trơn trên động cơ IFA-W50

Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ cơ khí Nghiên cứu và khảo sát hệ thống bôi trơn trên động cơ IFA-W50

Lớp Ôtô 4-k3

Chương I

MỞ ĐẦU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ.

Động cơ đốt trong ngày nay đang phát triển rất mạnh, giữ vai trò quan trọng trong nhiều ngành kinh tế quốc dân như nông nghiệp, giao thông vận tải đường bộ, đường sắt, đường biển, đường không cũng như trong nhiều ngành công nghiệp khác

Sản lượng động cơ đốt trong ngày nay trên thế giới ngày càng tăng cao Tuy nhiên, con đường phát triển đi lên của ngành động cơ đốt trong nói chung

và ngành công nghiệp ôtô nói riêng của các nước rất khác nhau Tùy thuộc chủ yếu vào năng lực của ngành cơ khí và mức độ công nghiệp hoá của từng nước

Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, người ta chia ra trong động cơ đốt trong cũng như trong ôtô ra nhiều hệ thống như hệ thống nhiên liệu, hệ thống bôi trơn,

hệ thống làm mát Trong đó, mỗi hệ thống đều có tầm quan trọng nhất định Hệ thống bôi trơn là một trong những hệ thống chính của động cơ

Việc khảo sát một hệ thống bất kỳ trong động cơ sẽ giúp cho sinh viên củng cố lại những kiến thức đã học và biết đi sâu tìm hiểu những hệ thống khác

Do vậy, đề tài khảo sát hệ thống bôi trơn trên động cơ ô tô là một trong những

đề tài đã nói trên

1.2 MỤC ĐÍCH-YÊU CẦU

Trong quá trình học tập chuyên ngành về công nghệ ô tô tại trường đại học công nghiệp Hà Nội, đồ án chuyên ngành I với đề tài nghiên cứu, khảo sát

mà cụ thể là khảo sát một hệ thống bất kỳ trên ô tô giúp cho sinh viên biết cách tìm hiểu một trong các hệ thống đó, trên cơ sở khảo sát tương tự sẽ nắm bắt sâu hơn các hệ thống khác của động cơ đốt trong nói riêng và các hệ thống trên ô tô nói chung

Ngoài ra, việc khảo sát này còn giúp cho sinh viên có thêm kinh nghiệm, biết hướng nghiên cứu để đi sâu tìm hiểu một hệ thống bất kỳ

Do đó, nghiên cứu khảo sát hệ thống bôi trơn là một đề tài như vậy

Chương II TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

2.1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG BÔI TRƠN.

2.1.1 Công dụng:

- Đưa dầu bôi trơn liên tục và tản nhiệt cho các bề mặt ma sát để giảm mài mòn, tăng tuổi thọ của chi tiết và giảm tổn thất công suất động cơ

- Rửa sạch bề mặt ma sát của các chi tiết khỏi mạt kim loại bong tách trong quá trình hoạt động của động cơ Đưa các mạt này về các-te sau đó được các phần tử lọc giữ lại, tránh cào xước bề mặt chi tiết

- Bao kín khe hở giữa các chi tiết hoặc cụm chi tiết chính xác ví dụ giữa piston

và xi lanh công tác…bảo vệ chi tiết khỏi oxi hóa (kết gỉ) bề mặt

- Làm mát động cơ, tạo điều kiện thuận lợi cho việc khởi động động cơ lạnh

2.1.2 Yêu cầu:

- Đưa dầu tới các bề mặt ma sát để bôi trơn liên tục

- Lọc sạch tạp chất lẫn trong dầu và tẩy rửa các bề mặt ma sát

- Làm mát các bề mặt ma sát và làm mát dầu nhờn để đảm bảo tính năng lý, hóa

2.1.3 Phân loại:

 Bôi trơn bằng vung té:

- Là phương pháp bôi trơn nhờ tác dụng quay và va đập vào dầu của một số chi tiết làm cho dầu vung ra, rơi vào các bề mặt làm việc của động cơ

 Phương pháp hứng dầu:

- Là phương pháp dầu nhờn được bơm cưỡng bức lên cao, khi chảy xuống được hứng vào các về mặt ma sát

 Phương pháp bôi trơn cưỡng bức:

- Là phương pháp bôi trơn dùng bơm dầu để đẩy dầu bôi trơn đi khắp

hệ thống với một áp suất nhất định

 Phương pháp bôi trơn hỗn hợp:

- Là phương pháp bôi trơn kết hợp tất cả các phương pháp trên, nó được dùng trong động cơ đốt trong là chủ yếu

2.1.4 Một số đặc điểm của dầu bôi trơn:

Tính chất quan trọng nhất liên quan đến chất lượng dầu bôi trơn là độ nhớt của nó Mỗi loại động cơ yêu cầu dầu bôi trơn có một độ nhớt nhất định, phù hợp với điều kiện làm việc của động cơ Nếu dầu quá nhớt (đặc) thường khó lưu động trong hệ thống bôi trơn Nên trong giai đoạn khởi động động cơ, dầu khó đến được tất cả các bề mặt làm việc của chi tiết đặc biệt là các bề mặt ma sát ở xa bơm dầu Do đó một số bề mặt ma sát có thể thiếu dầu khi khởi động dẫn đến nhanh bị mài mòn, nhanh hỏng

Các loại dầu bôi trơn thường có ký hiệu và chỉ số trên bao bì thể hiện tính năng và phạm vi sử dụng của chúng Hiện nay các chỉ số của dầu chủ yếu dựa trên tiêu chuẩn của các tổ chức Hoa Kỳ Có 2 thông số quan trọng để đánh giá

đó là chỉ số SAE và chỉ số API

 Chỉ số SAE (Society of Automobile Engineers) ban hành tháng 6 năm

1989 là chỉ số phân loại theo độ nhớt 1000C và 180C của hiệp hội kỹ sư Hoa Kỳ Tại một nhiệt độ nhất định chỉ số SAE lớn nghĩa là độ nhớt cao

và ngược lại Chỉ số SAE cho biết cấp độ nhớt chia thành 2 loại:

Loại đơn cấp: Là loại chỉ có 1 chỉ số độ nhớt Ví dụ 40, 50,

SAE-10W, SAE-20W Cấp độ nhớt có chữ W (Winter) dựa trên cơ sở độ nhớt ở nhiệt độ thấp tối đa (độ nhớt ở nhiệt độ khởi động từ -300C đến 500C) còn cấp độ nhớt không có chữ W chỉ dựa trên cơ sở độ nhớt ở 1000C

Loại đa cấp: Là lạo có hai chỉ số nhớt SAE-20W/50; SAE-10W/40…Ví dụ

SAE-20W/50 ở nhiệt độ thấp có cấp độ nhớt giống như loại đơn cấp SAE-50 Dầu có chỉ số nhớt đa cấp có phạm vi môi trường sử dụng rộng hơn so với dầu đơn cấp ví dụ dầu nhớt đơn cấp SAE-40 dùng cho môi trường có nhiệt

độ từ 260C đến 420C trong khi dầu nhớt đa cấp SAE-20W/50 có thể sử dụng

ở môi trường nhiệt độ thay đổi từ 00C đến 400C Dầu thường sử dụng ở nước

ta là loại SAE 20W-40

 Chỉ số API (American Petroleum Institute) là chỉ số đánh giá chất lượng dầu nhớt của viện hóa dầu Hoa Kỳ Chỉ số API cho biết cấp chất lượng dầu nhớt theo chủng loại động cơ Người ta phân thành 2 loại:

Dầu chuyên dụng: Là loại dầu chỉ dùng cho một trong hai động cơ là xăng

hoặc Diezel

Dầu đa dụng: Là loại dầu bôi trơn có thể dùng cho cả động cơ xăng và

Diezel

Khi sử dụng dầu bôi trơn phải tuân thủ hướng dẫn của nhà chế tạo động cơ và chỉ số SAE, API và thời gian thay dầu

2.1.5 Nguyên lý bôi trơn

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống bôi trơn cưỡng bức.

1 Các te dầu; 2 Phao hút dầu; 3 Bơm bánh răng; 4 Van an toàn; 5 Bầu lọc dầu; 6 Van an toàn; 7 Két làm mát; 8 Đồng hồ báo áp suất; 9 Đường dầu

chính; 10 Bôi trơn trục khuỷu; 11 Bôi trơn trục cam

Trong hệ thống bôi trơn cưỡng bức trên, toàn bộ lượng dầu của hệ thống bôi trơn được chứa trong các te 1 của động cơ Bơm dầu 3 được dẫn động từ trục khuỷu động cơ hoặc trục cam Dầu trong các te 1 được bơm 3 hút qua phao

2 Phao 2 có lưới chắn để lọc sơ bộ những tạp chất có kích thước lớn trong dầu,

kể cả khi động cơ bị nghiêng Sau bơm, dầu có áp suất cao (có thể đến

10KG/cm2) Sau đó đi qua bầu lọc dầu 5 để loại bỏ cặn bẩn Sau khi qua bầu lọc, dầu được đưa lên đường dầu chính và đi bôi trơn trục khuỷu, trục cam và trở lại các te 1 Van an toàn 4 và 6 là van tràn có tác dụng không chế áp suất dầu sau bơm và sau két làm mát Khi bơm và két làm mát bị tắc hoặc áp suất dầu trong

hệ thống quá lớn, van an toàn sẽ được mở để đảm bảo tính ổn định, tránh hiện tượng thiếu dầu bôi trơn cung cấp cho các bề mặt làm việc

Khi dầu quá nóng (khoảng 800C), để giảm nhiệt độ của dầu, sau khi qua bầu lọc 5 dầu sẽ được đưa vào két làm mát 7 và được đưa đến đường dầu chính

9 để đảm bảo bôi trơn, đảm bảo độ nhớt của dầu nhờn

2.1.6 Bơm dầu.

Bơm dầu nhờn là một trong những bộ phận quan trọng của động cơ, nó có nhiệm vụ cung cấp liên tục dầu nhờn có áp suất cao đến các bề mặt ma sát để bôi trơn, làm mát và tẩy rửa mặt ma sát Bơm dầu dùng trong động cơ đốt trong đều là loại bơm thể tích chuyển dầu bằng áp suất thủy tĩnh như các loại bơm

piston, bơm phiến trượt, bơm bánh răng và bơm trục vít Trong đó bơm bánh răng được dùng hết sức phổ biến vì nó có các ưu điểm như nhỏ gọn, áp suất bơm cao, cung cấp dầu liên tục và làm việc rất an toàn, tuổi thọ cao

Trong phần nghiên cứu và khảo sát hệ thống bôi trơn này, bơm dầu bánh răng ăn khớp ngoài là đối tượng em chọn

Hình 2.2: Sơ đồ bơm dầu bánh răng ăn khớp ngoài

Bơm gồm các bánh răng ăn khớp ngoài hình 2.2 đặt trong một vỏ kín Bánh răng chủ động được dẫn động từ trục khuỷu hoặc từ trục cam, bánh răng bị động quay tự do trên trục của nó Khi động cơ làm việc, các bánh răng chủ động và bị động quay theo chiều mũi tên Dầu trong không gian giữa các răng của các bánh răng với vỏ bơm được chuyển về không bên trái để đi bôi trơn Trong bơm được gắn một van an toàn để đảm bảo áp suất trong hệ thống không vượt quá 0,5÷0,8 MPa

Bơm dầu cần phải có lưu lượng riêng đủ lớn và có van hạn chế áp suất để đảm bảo an toàn cho hệ thống Lưu lượng của bơm dầu phụ thuộc vào tốc độ bơm (tốc độ động cơ), do vậy trong bơm bố trí van an toàn lưu lượng Trong quá trình làm việc, các chi tiết của động cơ bị mòn dần, đòi hỏi bơm dầu phải cung cấp lưu lượng dầu lớn hơn để có thể bôi trơn đầy đủ các chi tiết ở xa

2.1.7 Lọc dầu.

Hình 2.3: Bầu lọc ly tâm.

Để đảm bảo ổ trục ít bị mài mòn do tạp chất, dầu nhờn dùng để bôi trơn phải rất sạch Trong quá trình làm việc dầu bị phân hủy và nhiễm bẩn bởi nhiều loại tạp chất như:

+ Mạt kim loại do các mặt ma sát mài mòn, nhất là trong thời gian chạy rà động cơ mới và trong thời gian động cơ đã làm việc quá chu kỳ đại tu

+ Các tạp chất lẫn trong không khí náp như cát bụi và các chất khác Các loại tạp chất này theo không khí nạp vào xilanh rồi lẫn với dầu nhờn, chảy xuống các-te

+ Muội than do nhiên liệu hoặc dầu nhờn cháy bám trên xilanh, theo dầu nhờn xuống các-te

+ Các tạp chất hóa học do dầu nhờn biến chất, bị oxy hóa hoặc bị tác dụng của các loại axit sinh ra trong quá trình cháy

Để loại bỏ những tạp chất trên, nhất là các tạp chất cơ học, người ta phải lọc sạch dầu nhờn bằng các thiết bị lọc dầu

Thiết bị lọc dầu có thể lắp trực tiếp hoặc lắp theo mạch rẽ với đường dầu nhờn Khi lắp trực tiếp, 100% dầu đều phải qua lọc; vì vậy sức cản của loại bầu lọc này không được quá lớn, độ chênh lệch áp suất trước và sau bầu lọc thường không vượt quá 0,1 MN/m2 Loại bầu lọc này chỉ lọc được các cặn bẩn có kích thước hạt lớn hơn 0,03mm, vì vậy thường được gọi là bầu lọc thô Các loại bầu lọc tinh thường phải lắp theo mạch riêng rẽ vì sức cản bầu lọc rất lớn Lượng dầu phân nhánh qua bầu lọc tinh không được vượt quá 20% lượng dầu nhờn của toàn mạch Các loại lọc tinh có thể lọc sạch các tạp chất có đường kính hạt nhỏ

đến 0,1€m, các chất keo và nước lã và thậm chí cả các axit lẫn trong dầu nhờn nữa Dầu sau khi qua lọc thường trở về các-te

Thiết bị lọc dầu của các loại động cơ đốt trong ngày nay có thể chia ra làm bốn loại chính Ở đây, em chọn lọc dầu ly tâm là đối tượng nghiên cứu và khảo sát

Những ưu điểm của bầu lọc ly tâm:

- Do không dùng lõi lọc (các phần tử lọc) nên khi bảo dưỡng định kỳ không cần thay thế các phần tử lọc

- Khả năng lọc tốt hơn nhiều so với loại lọc thấm và dùng lõi lọc

- Tính năng lọc ít phụ thuộc vào mức độ cặn bẩn lắng đọng trong bầu lọc

- Khả năng thông qua không phụ thuộc vào số lượng tạp chất lắng đọng trong bầu lọc

2.1.8 Két làm mát dầu

Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức

1-két làm mát; 2- van hằng nhiệt; 3-nhiệt kế; 4-ống dẫn hơi nước; 5-ống dẫn nước nóng vào két; 6-ống dẫn nước khí động cơ nguội; 7-bơm nước; 8-ống phân phối nước; 9-van xả nước; 10-bình làm mát dầu bôi trơn; 11-ống dẫn nước về

bơm; 12-quạt gió

Nguyên lý hoạt động:

Nước làm mát có nhiệt độ thấp được bơm 7 hút từ bình chứa phía dưới của két nước 1 qua đường ống dẫn 6 rồi qua két 10 để làm mát dầu sau đó vào động cơ Để phân phối nước làm mát đồng đều trong các xylanh và làm mát đồng đều cho mỗi xy lanh, nước sau khi bơm vào thân máy, chảy qua ống phân phối 8 đúc sẵn trong thân máy Sauk hi làm mát xylanh, nước lên làm mát nắp

máy rồi theo đường ống 5 ra khỏi động cơ với nhiệt độ cao đến van hằng nhiệt

2 Khi van hằng nhiệt mở, nước qua van vào bình chứa phía trên của két nước Tiếp theo, nước từ bình phía trên đi qua các ống mỏng có gắn các cánh tản nhiệt Tại đây, nước được làm mát bởi dòng không khí qua két do quạt 12 tạo ra Quạt được dẫn động bằng puli từ trục khuỷu của động cơ Tại bình chứa phía dưới của két làm mát, nước có nhiệt thấp lại được bơm hút vào động cơ thực hiện một chu trình làm mát tuần hoàn

Trong quá trình làm việc của động cơ, nhiệt độ của dầu nhờn tăng lên không ngừng, đó là do các nguyên nhân cơ bản dưới đây:

- Dầu nhờn phải làm mát ở trục, tải nhiệt lượng sinh ra trong quá trình ma sát của ổ trục ra ngoài

- Dầu nhờn tiếp xúc với các chi tiết máy có nhiệt độ cao, nhất là trong loại hệ thống bôi trơn phun dầu nhờn để làm mát đỉnh piston

Để đảm bảo nhiệt độ làm việc của dầu nhờn ổn định, giữ cho độ nhớt của dầu không đổi, đảm bảo khả năng bôi trơn, người ta dùng két làm mát dầu nhờn

để làm mát (hạ nhiệt độ) dầu nhờn Thông thường có thể làm mát theo hai cách: dùng nước làm mát hoặc dùng không khí để làm mát Nhiệt lượng dầu nhờn sẽ truyền cho các môi chất làm mát theo nguyên lý trao đổi nhiệt

Chương III

3.1 Cơ sở tính toán.

3.1.1 Tính toán nhiệt:

 Đối với động cơ Diezel, nhiên liệu diezel có khối lượng nhiên liệu thành phần:

C=0,87; H=0,126; O=0,004 Kg/kmol

Nhiệt trị nhiêu liệu: Hu=33,91C + 125,6H – 10,89(O-S) – 2,51(9H+W)

=33,91.0,87 + 125,6.0,126 – 10,89.0,004 – 2,51.9.0,126

= 42,44 (MJ/kg) = 42 440 (kJ/kg)

Lượng nhiên liệu tiêu hao trong 1 giờ: Gf

86 , 20 10

7355 , 0 185 75 , 0

115 10











e e

Vậy nhiệt lượng sinh ra trong mỗi giây:

9 , 245 3600

86 , 20 42440 3600

.

Lượng nhiệt dầu làm mát mang đi:

918 , 4 9 , 245 02 , 0 )

03 , 0 015 , 0

'

Tốc độ lưu thông của dầu theo giá trị Q:

0 0 0

' 0

T c

Q

V c





 (m3/s) Trong đó chọn: c0=2,094 (kJ/kg.K); khối lượng riêng ρ0=900 (kg/m3); ΔTT0=10K

Mà thực tế tốc độ lưu thông dầu thực tế là: V’ = 2Vc

Thể tích bơm dầu được tính theo công thức:

p d

V V



'

 chọn ηp = 0,8

00065 , 0 094 , 2 8 , 0 10 900

918 , 4 2 2

2

0 0 0

' 0





















p p

c

d

T c

Q V

V





3.1.2 Tính toán bơm dầu.

Bơm dầu bánh răng ăn khớp ngoài có mô-đun m=4,5 (mm)= 0,0045 (m)

Chiều cao răng: h = 2m = 2.4,5 = 9 (mm) = 0,009 (m)

Số răng của bánh răng chủ động: z = 8

Đường kính vòng chia: D0 = z.m = 0,036 (m)

Đường kính vòng đỉnh răng: D = m(z+2) = 0,0045.(8+2) = 0,045 (m)

Vận tốc đỉnh răng: up = 5,4 (m/s)

2300 045

, 0 14 , 3

60 4 , 5 60

















D

u

p

2300 8

0045 , 0 14 , 3 2

00065 , 0 60 2

60

2























p

d

n z m

V b

Áp suất dầu trong hệ thống: p=0,6 (MPa)

Hiệu suất bơm chuyển: ηm.p = 0,89

Công suất bơm dầu:

44 , 0 10

89 , 0

10 6 , 0 00065 , 0

6 3

.



















p

m

d

p

p V

N

3.1.3 Tính toán lọc dầu ly tâm.

Căn cứ vào định lý xung lượng, phản lực tác dụng trên đường tâm lỗ phun khiến roto quay, xác định theo công thức:















F

V V

P

n

n n

30

1

2

0

0





Trong đó: - Khối lượng riêng của dầu ρ0=900 (kg/m3)

- Lưu lượng của dầu nhờn qua lỗ phun trong 1 giây: V0.n

Do tổn thất lọc dầu ly tâm là 20% nên

5 0

0 0

' 0

10 094 , 2 900

918 , 4 2

, 0

2 , 0 2

,





















T c

Q V

- Hệ số co dòng của dầu nhờn chảy qua tiết diện lỗ phun: chọn ε=0,9

- Diện tích lỗ phun: Fn

Chọn đường kính vòi phun ly tâm d = 1 (mm)

2 3 2

10 85 , 7 4

10 14 , 3 4















- Số vòng quay của roto: n (vòng/phút)

- Khoảng cách từ tâm lỗ phun đến tâm trục rô to: R = 0,06 (m)

Mô-men dẫn động cho roto Mt do 2 tia phun sinh ra bằng:

















F

V R V PR

M

n

n n

t

30 1

2

2

2 0 0 0 





Mô-men cản của roto: Mr = a + bn

Trong đó: a và b là các hệ số thực nghiệm, giá trị của a = (5÷20).10-4 (N.m); giá trị của b = (3÷10).10-6 (N.m)

Do ở trạng thái làm việc ổn định nên mô-men quay Mt được cân bằng bởi mô-men cản của roto Mr

 Mt = Mr  2PR = a + bn

5006 30

06 , 0 10 22 , 5 900 14 , 3 10 3

10 5 10

85 , 7 9 , 0 2

06 , 0 10

22 , 5 900

30

2

2 5

6

4 7

2 5

2 0 0

.

0

0















































R V b

a F

R V

n

n n n







(vòng/phút)

Chọn: Hệ số lưu lượng dầu thông qua ống hút: α = 0,8

Hệ số tổn thất thủy động lực học của dầu từ khi dầu vào roto đến miệng

lỗ phun: ψ = 0,2 (đối với bầu lọc ly tâm toàn phần)

Bán kính trụ roto: ra = 7mm = 0,007 m

Ta có công thức:

0

0

2 2



F

V n  n - p là áp suất dầu tại đầu ra vòi phun

2

2

0

2

.

0

8 n

n

F

V

p







 mà p còn được tính theo công thức:

2 0 1

30 5 , 0

p













































1 30 5 ,

2 0 1

a r R n p

p

Thay 2 02

2 0

n

F

V

p





 vào công thức trên ta được:

 













































1 8

30 4

2 2

0 2 2 2 2

2 2

.

0

1

n

n a n

F

F r R

n V

8 , 0 8

900 10

85 , 7 8 , 0 007 , 0 06 , 0 30

5028 14

, 3 4 10

22

,

5

2 7 2

2 7 2

2 2

2 2

5























































(MPa)

Công suất của bầu lọc ly tâm:



























































30

06 , 0 5028 14

, 3 10 85 , 7 9 , 0 2

10 22 , 5 10

30

5028 06

, 0 10 22 , 5 900

14

,

3

30 2

10

30

7

5 3

5

0 3

0

F

V Rn V

N

n

n n

c







=0,008 (kW)

3.1.4 Két làm mát.

Theo tính toán nhiệt ở phần 3.1.1 ta có ' 4 , 918

Q (kJ/s) = 4918 (J/s)

Mặt khác: Q' K0F0T0.m T w.m

K0 là hệ số truyền nhiệt từ dầu sang nước, [W/(m2K)]

F0 là diện tích bề mặt làm mát dầu từ nước, m

T0.m là nhiệt độ trung bình của dầu khi làm mát, K