Đồ án tính toán thiết kế động cơ đốt trong chuẩn xác Mục lục: LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: Xây dựng đồ thị công, động lực, động lực học của động cơ 1 1.1. Tính toán xây dựng bản vẽ đồ thị 1 1.1.1. Các thông số động cơ 1 1.1.2. Các thông số tính 1 1.1.3. Đồ thị công 2 1.1.4. Đồ thị Brick 6 1.1.5. Xây dựng đồ thị vận tốc 9 1.1.6. Đồ thị gia tốc 11 1.1.7. Vẽ đồ thị lực quán tính 12 1.1.8. Đồ thị khai triển: Pkt , Pj , P1 14 1.1.9. Xây dựng đồ thị T , Z , N 16 1.1.10. Đồ thị véctơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu 23 1.1.11. Đồ thị véctơ phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền 24 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU CHUNG ĐỘNG 34 2.1. Chọn động cơ tham khảo 34 2.2 Cơ cấu pittông,trục khuỷu, thanh truyền 37 2.3 Hệ thống bôi trơn, làm mát 45 2.4 Hệ thống đánh lửa 48 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ CẤU PISTON THANH TRUYỀN 50 3.1 Nhóm piston 50 3.1.1.1 Điều kiện làm việc và yêu cầu của piston 50 3.1.1.2 Kết cấu của piston 51 3.1.1.3 Tính nghiệm bền của piston 52 3.2 Nhóm thanh truyền 54 3.2.1 Thanh truyền 54 3.2.2 Bạc lót đầu to thanh truyền 56 3.2.3 Bulông thanh truyền 57 3.2.4 Tính bền thanh truyền 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60
XÂY DỰNG ĐỒ THỊ CÔNG, ĐỘNG LỰC, ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ĐỘNG CƠ
Tính toán xây dựng bản vẽ đồ thị
1.1.1 Các thông số động cơ
Bảng 1.1: Các thông số cho trước của động cơ
THÔNG SỐ KỸ THUẬT KÝ HIỆU GIÁ TRỊ ĐƠN VỊ
Số xilanh/Số kỳ/Cách bố trí i/ τ 6/4/V-type
Tỷ số nén ε 10 Đường kính piston D 90 mm
Công suất cực đại/ số vòng quay Ne 210 Kw n 5200 v/ph
Tham số kết cấu λ 0,25 Áp suất cực đại Pz 6.5 MN/m 2
Khối lượng nhóm piston mpt 1 Kg
Khối lượng nhóm thanh truyền mtt 1.3 Kg
Góc đánh lửa sớm φs 15 độ
Góc phân phối khí α1 19 độ α2 63 độ α3 36 độ α4 20 độ
Hệ thống nhiên liệu EFI
Hệ thống bôi trơn Cưỡng bức cascte ướt
Hệ thống làm mát Cưỡng bức, sử dụng môi chất lỏng
Hệ thống nạp Không tăng áp
Hệ thống phân phối khí 24 valve, DOHC
+ Xác định tốc độ trung bình của động cơ: C m= S×n 30 [m/s]
S [m]: hành trình dịch chuyển của piston trong xilanh. n [vòng/ phút]: tốc độ quay của động cơ.
Cm= 15.6 m/s > 9 m/s: động cơ tốc độ cao hay động cơ cao tốc
+ Chọn trước chỉ số nén đa biến trung bình : n 1 = 1.35
+ Chọn trước chỉ số giãn nở đa biến trung bình : n 2 = 1.25
+ Áp suất khí cuối kì nạp:
Vì là động cơ bốn kì tăng áp: pa = (0,8÷ 0,9) ×pk (1.2) Đối với động cơ không tăng áp
+ Áp suất cuối kì nén: pc = pa × ε n 1 = 1.9029 [MN/m 2 ] (1.3)
+ Chọn tỷ số dãn nở sớm: động cơ xăng ρ = 1
+ Áp suất cuối quá trình giãn nở: pb p z δ 1 n 2 = p z
+ Vận tốc trục khuỷu: ω= π × n 30 =5 44.26 [rad/s] (1.7)
+ Áp suất khí sót: động cơ cao tốc: pr = (1,05 - 1,10) × pth (1.8)
1.1.3.1Các thông số xây dựng đồ thị
Các thông số cho trước :
+ Áp suất cực đại: pz = 6.5 [Mn/m 2 ] :
Các thông số chọn: Áp suất khí nạp: pk = 0,1 [MN/m 2 ]
Pnx và Vnx đại diện cho áp suất và thể tích trong quá trình nén của động cơ Quá trình nén này có tính chất đa biến, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của động cơ.
V nx ) n 1 Đặt: i= V V nx c Khi đó: P nx =P c i n 1 Để dễ vẽ ta tiến hành chia Vh thành khoảng , khi đó i = 1, 2 , 3, .
Xây dựng đường giãn nở:
Áp suất Pgnx và thể tích Vgnx biến đổi trong quá trình giãn nở của động cơ Do quá trình giãn nở này có tính chất đa biến, nên ta có mối quan hệ P nx × V nx n = hằng số.
Ta có : VZ = ×VC Pgnx P Z
P Z ρ n 2 i n 21 (1.4) Để dễ vẽ ta tiến hành chia Vh thành khoảng , khi đó i = 1, 2 , 3,
Biểu diễn các thông số:
+ Biểu diễn thể tích buồng cháy: Vcbd = 20 mm μ v = V c
Giá trị biểu diễn của Vhbd = V μ h v
+ Biểu diễn áp suất cực đại: pzbd = 200mm μ p = P z
Giá trị biểu diễn của đường kính vòng tròn Brick AB tương đương với giá trị biểu diễn của Vh, cụ thể là AB = Vhbd = 180[mm] μ s = S.
+ Giá trị biểu diễn của OO’: OO bd , =OO , μ S R × λ
Bảng 1.2: Bảng giá trị đồ thị công động cơ xăng Đường nén V(dm3
1.1.3.2 Cách vẽ đồ thị Đồ thị công động cơ xăng 4 kỳ không tăng áp
+ Từ bảng giá trị ta tiến hành vẽ đường nén và đường giản nở.
+ Vẽ vòng tròn của đồ thị Brick để xác định các điểm đặc biệt:
Va = Vc + Vh = 0.636 [dm 3 ] p = 0.09 [MN/m 2 ]
- Điểm phun sớm: c’ xác định từ đồ thị Brick ứng với s;
Hình 1.1: Các điểm đặc biệt cần xác định trên đồ thị công động cơ xăng.
Vc =0.064 [dm 3 ] => Vcbd = 20 [mm] pc = 2.06[MN/m 2 ] => pcbd = μ p c p c.38[mm]
- Điểm bắt đầu quá trình nạp: r( Vc; Pr) = (0.064; 0,11) => rbd (20; 4,576)
- Điểm mở sớm của xupáp nạp: r’ xác định từ đồ thị Brick ứng với α1
- Điểm đóng muộn của xupáp thải: r’’ xác định từ đồ thị Brick ứng với α4
- Điểm đóng muộn của xupáp nạp: a’ xác định từ đồ thị Brick ứng với α2
- Điểm mở sớm của xupáp thải : b’ xác định từ đò thị Brick ứng với α3
- Điểm áp suất cực đại lý thuyết: z (Vc ;Pz) = (0,047; 5.525)
- Điểm áp suất cực đại thực tế: z’’(/2.Vc ;Pz)
Bảng 1.3: Các điểm đặc biệt Đ i ể m
Giá trị thật Giá trị vẽ
+ Sau khi có các điểm đặc biệt tiến hành vẽ đường thải và đường nạp, tiến hành hiệu chỉnh bo tròn ở hai điểm z’’ và b’’
Phương pháp vẽ đồ thị Brick bắt đầu bằng việc vẽ một vòng tròn với tâm O và bán kính R, trong đó chiều dài AD được xác định là 2R, tương ứng với diện tích S = 75 mm Điểm A nằm ở vị trí góc quay α = 0° (vị trí điểm chết trên) và điểm D được xác định theo các thông số đã cho.
0 0 (vị trí điểm chết dưới).
Chọn tỷ lệ xích đồ thị Brick: μ s = S
=0.419+ Từ O lấy đoạn OO’ dịch về phía ĐCD như Hình 1.2 , với :
Giá trị biểu diễn : OO ' bd = OO ' μ s
Từ O’, kẻ đoạn O’M song song với đường tâm má khuỷu OB và hạ M’C thẳng góc với AD Theo định lý Brick, đoạn AC được xác định bằng x Cụ thể, ta có AC = AO - OC = AO - (CO’ - OO’) = R - MO’ × cosα.
+ Muốn xác định chuyển vị của piston ứng với góc quay trục khuỷu là α 0 ,
Để thực hiện các bước từ 20 0 đến 30 0, ta bắt đầu từ điểm O’ và kẻ đoạn O’M song song với đường tâm má khuỷu OB Tiếp theo, hạ MC vuông góc với AD, trong đó điểm A tương ứng với góc quay = 0 0 (vị trí điểm chết trên) và điểm D tương ứng với góc quay = 180 0 (vị trí điểm chết dưới) Cuối cùng, đoạn AC được xác định là x.
Vẽ hệ trục vuông góc OSα, trong đó trục Oα biểu diễn giá trị góc và trục OS biểu diễn khoảng dịch chuyển của piston Tùy thuộc vào các góc α, ta có thể xác định khoảng dịch chuyển tương ứng của piston Từ các điểm trên vòng chia Brick, kẻ các đường thẳng song song với trục Oα Tiếp theo, từ các điểm chia trên trục Oα có góc tương ứng, vẽ các đường song song với OS Các đường này sẽ giao nhau tại các điểm, và khi nối các điểm này lại, ta sẽ có đường cong biểu diễn độ dịch chuyển x của piston theo góc α.
Bảng 1.4: Bảng giá trị đồ thị chuyển vị S = f(α)
Góc Giá trị thật Giá trị vẽ α S(m) V(m/s) S(mm) V(mm)
1.1.5 Xây dựng đồ thị vận tốc
+ Theo phương pháp giải tích vận tốc của piston được xác định theo công thức: v = Rω (2 λ Sin2α + Sinα ) (m/s) (1.10)
+ Chọn tỷ lệ xích V = S × = 0.272133333 [m/s.mm]
+ Vẽ nửa đường tròn tâm O có bán kính R1:
+ Giá trị biểu diễn của R1 là :
+ Vẽ đường tròn tâm O bán kính đồng tâm với nửa đường tròn có bán kính
Chia nửa đường tròn bán kính R1 và đường tròn bán kính R2 thành 18 phần bằng nhau, góc trên nửa đường tròn R1 tương ứng với góc 2 trên đường tròn R2 Mỗi điểm trên nửa đường tròn R1 cách nhau 10 độ, trong khi trên đường tròn R2, các điểm cách nhau 20 độ Trên nửa đường tròn R1, các điểm được đánh số từ 0 đến 18 theo chiều ngược kim đồng hồ, còn trên đường tròn R2, các điểm được đánh số từ 0’ đến 18’ theo chiều kim đồng hồ, cả hai đều bắt đầu từ tia OA.
Từ các điểm chia trên nửa vòng tròn bán kính R1, ta vẽ các đường thẳng vuông góc với đường kính AB, và từ các điểm chia trên vòng tròn bán kính R2, ta kẻ các đường thẳng song song với AB Những đường thẳng này sẽ cắt nhau theo từng cặp 0-0’; 1-1’; ; 18-18’ tại các điểm 0, a, b, c, Sau đó, nối các điểm này lại bằng một đường cong và kết hợp với nửa vòng tròn bán kính R1 để biểu diễn trị số vận tốc v thông qua các đoạn A0, 1a, 2b, 3c, tương ứng với các góc 0.
1,2, 3 18 Phần giới hạn của đường cong này và nửa vòng tròn lớn gọi là giới hạn vận tốc của piston.
Vẽ hệ tọa độ vuông góc OvS trùng với hệ tọa độ OαS, trong đó trục thẳng đứng Ov song song với trục Oα Từ các điểm chia trên đồ thị Brick, kẻ các đường thẳng song song với trục Ov cắt trục OS tại các điểm 0, 1, 2, 3, …, 18 Từ các điểm này, đặt các đoạn thẳng A0, 1a, 2b, 3c, … song song với trục Ov và có khoảng cách bằng khoảng cách các đoạn A0, 1a, 2b, 3c, …, 0 Nối các điểm A, a, b, c, … lại với nhau để có đường cong biểu diễn vận tốc của piston v=f(S).
Hình 1.3 Đồ thị vận tốc V = f()
Vẽ hệ tọa độ vuông góc với trục thẳng đứng 0v và trục 0α, từ các điểm chia trên đồ thị Brích, ta kẻ các đường thẳng song song với trục 0v cắt trục 0s tại các điểm 0,1,2,3, ,18 Từ các điểm này, ta đặt các đoạn thẳng 00’’, 11’’, 22’’, 33’’, ,1818’’ song song với trục 0v, có khoảng cách tương ứng với đoạn giữa đường cong và nửa đường tròn bán kính r1, biểu diễn tốc độ ở các góc tương ứng Nối các điểm 0’’, 1’’, 2’’, , 18’’ lại với nhau, ta có đường cong biểu diễn vận tốc piston v=f(s).
Theo phương pháp giải tích, gia tốc của piston được tính bằng công thức: j = dv/dt = dv/dα * dα/dt = R * ω² * (Cos α + λ * Cos² α) (m/s²).
+ Giải gia tốc của Piston bằng phương pháp đồ thị thường dùng phương pháp TôLê Cách tiến hành cụ thể như sau:
Lấy đoạn thẳng AB = S = 2R = 75 [mm]
Từ A dựng đoạn thẳng : AC = Jmax = R× 2 ×(1+)
Từ B dựng đoạn thẳng: BD = Jmin = - R× 2 ×(1-).
Nối CD cắt AB tại E.
Lấy EF = -3R 2 Nối CF và DF Phân đoạn CF và DF thành những đoạn nhỏ bằng nhau ghi các số 1 , 2 , 3 , 4 và 1’ , 2’ , 3’ , 4’ như trên hình 1.6.
Nối 11’ , 22’ , 33’ , 44’ Đường bao của các đoạn thẳng này biểu thị quan hệ của hàm số: j = f(x).
+ Chọn giá trị biểu diễn của Jmax là Jmaxbd= 80 [mm]
+ Do đó :Giá trị biểu diễn J minbd =J min μ j =−9997.6344
+ Lấy đoạn thẳng AB trên trục OS, với:
+ Tại A, dựng đoạn thẳng AC thẳng góc với AB về phía trên, với:
+ Tại B, dựng đoạn thẳng BD thẳng góc với AB về phía dưới, với:
+ Nối C với D cắt AB tại E, dựng EF thẳng góc với AB về phía dưới một đoạn:
Giá trị biểu diễn EFbd = EF μ j
Để nối đoạn CF và DF, ta chia chúng thành 8 đoạn nhỏ bằng nhau, đánh số thứ tự theo chiều từ C đến F cho đoạn CF và từ F đến D cho đoạn FD Cụ thể, đoạn CF sẽ được ghi là: C, 1, 2, 3, 4, F; trong khi đoạn FD sẽ ghi là: F, 1’, 2’, 3’, 4’, D Sau đó, nối các điểm chia 11', 22', 33', để tạo thành đường bao, biểu diễn gia tốc của piston với công thức J = f(x).
Dùng phương pháp TôLê ta có đồ thị như hình 1.6:
Hình 1.4 Đồ thị gia tốc j = f(x)
1.1.7 Vẽ đồ thị lực quán tính
Lực quán tính được biểu diễn bằng công thức Pj = -m × j, từ đó suy ra -Pj = m × j Thay vì vẽ Pj, chúng ta vẽ -Pj, với trục hoành đi qua điểm gốc của đồ thị công Đồ thị -Pj tương ứng với j = f(x) có tỷ lệ xích khác Do đó, phương pháp TôLê có thể được áp dụng để vẽ đồ thị -Pj.
Để áp dụng phương pháp cộng đồ thị -Pj với đồ thị công, -Pj cần có cùng thứ nguyên và tỷ lệ xích với đồ thị công Thay vì vẽ giá trị thực của -Pj, ta biểu diễn nó dưới dạng -Pj = f(x) tương ứng với một đơn vị diện tích đỉnh piston, tức là thay thế: m = m'.
[kg/m 2 ] m’ = m1 + mnpt [kg] Đối với động cơ ô tô máy kéo: m1 = (0,2750,350)×mtt m2 = (0,6500,725)×mtt
PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU CHUNG ĐỘNG
Chọn động cơ tham khảo
Chọn động cơ tham khảo: 2GR-FKS trên xe Toyota Alphard
Hình 2.1: Mặt cắt dọc động cơ 2GR-FKS
1 Cacte, 2 Trục khuỷa, 3 Pittong, 4 Xilanh, 5.Xupap 6.Puli
Hình 2.2: Mặt cắt ngang động cơ 2GR-FKS
1 Thanh truyền, 2 Bánh răng dẫn động trục cam 3 Đường ống nạp
4 Trục cam 5 Đường ống thải Động cơ có hai trục cam trên nắp máy, gồm 24 xupap (mỗi máy có 4 xupap-hai nạp và hai thải) Trục cam đặt trên nắp máy cho phép làm giảm khối lượng các chi tiết trung gian chuyển động tịnh tiến (không có đũa đẩy) đảm bảo hoạt động ổn định cho cơ cấu phân phối khí ngay cả tại số vòng quay cao Trục cam được dẫn động bằng đai từ trục khuỷu.
Bảng 2-1 Thông số kỹ thuật động cơ 2GR-FKS
THÔNG SỐ KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ YÊU
Số xilanh/ số kỳ/ cách bố trí 6 / 4 / V-type 6 / 4 / V-type
Thứ tự làm việc 1-5-2-6-2-4 1-2-3-4-5-6 Đường kính x hành trình piston 90x90 94 x 83
Công suất cực đại/ số vòng quay 210/ 5200 221/ 6600
Hệ thống nhiên liệu EFI EFI
Hệ thống phân phối khí 24 valve, DOHC 24 valve, DOHC
Cơ cấu pittông,trục khuỷu, thanh truyền
Các piston được làm bằng hợp kim nhôm.
• Phần piston đầu sử dụng một phần đỉnh hình dạng côn để thực hiện hiệu quả đốt cháy nhiên liệu.
• Những váy pit-tông được phủ một lớp nhựa để giảm tổn thất ma sát.
• Các đường rãnh của vòng đầu được phủ alumite để đảm bảo khả năng chống mài mòn.
• Bằng cách tăng độ chính xác gia công của đường kính xi lanh khoan, đường kính ngoài của piston được làm thành một kích thước
Trên piston có 2 loại xéc măng là xéc măng khí và xéc măng dầu.
Xéc măng có vai trò bao kín buồng cháy của động cơ và dẫn nhiệt từ đỉnh piston tới nước làm mát Mỗi piston được trang bị hai xéc măng khí, được mạ thiếc để khít với thành xilanh và mạ Crôm để giảm mài mòn Khe hở nhiệt của xéc măng khi lắp đặt là 0,25-0,6 mm, với miệng xéc măng cách nhau 180 độ để ngăn khí lọt xuống cacte Vật liệu chế tạo xéc măng là thép hợp kim cứng Xéc măng dầu, làm từ thép chống gỉ, có nhiệm vụ phân phối đều lớp dầu và gạt dầu từ thành xilanh về cacte, với các lỗ dầu được lắp ở rãnh dưới cùng của piston, thông với khoang trống bên trong.
Thanh truyền là bộ phận kết nối piston với trục khuỷu, chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu Khi hoạt động, thanh truyền chịu tác động từ lực khí thể trong xilanh, lực quán tính của nhóm piston và lực quán tính của chính thanh truyền Cấu trúc của thanh truyền bao gồm ba phần: đầu nhỏ, thân và đầu to, trong đó nắp đầu to được gắn với thanh truyền bằng bulông biến dạng đàn hồi.
Vật liệu chế tạo thanh truyền phải có độ bền cơ học, độ cứng vững cao, thường là thép các bon hoặc thép hợp kim.
Hình 2.4: Kết cấu thanh truyền
Chốt pít tông là bộ phận kết nối pít tông với đầu nhỏ của thanh truyền, có cấu tạo đơn giản nhưng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động ổn định của động cơ Trong quá trình vận hành, chốt pít tông phải chịu áp lực va đập liên tục, nhiệt độ cao và điều kiện bôi trơn khắc nghiệt.
1.Vòng hãm, 2.Chốt pít tong
Chốt pít tông được sản xuất từ thép hợp kim, bao gồm các thành phần như crôm và măng gan, với hàm lượng cacbon thấp Sau khi chế tạo, chốt pít tông được xử lý để tăng độ cứng và được mài bóng, đảm bảo chất lượng và độ bền.
Chốt pít tông có hình dạng trụ rỗng, được lắp ghép dễ dàng với pít tông và thanh truyền theo hệ trục Trong quá trình lắp ráp, chốt pít tông được lắp tự do ở cả hai mối ghép, trong đó mối ghép giữa chốt và bạc đầu nhỏ thanh truyền là mối ghép lỏng, còn mối ghép với bệ chốt là mối ghép trung gian có độ dôi Phương pháp lắp này giúp chốt mòn đều và chịu mỏi tốt hơn, tuy nhiên, việc bôi trơn mối ghép trở nên khó khăn do cần hạn chế di chuyển dọc trục của chốt.
Trục khuỷu là một bộ phận quan trọng trong động cơ đốt trong, chịu trách nhiệm chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay để truyền công suất ra ngoài Trong quá trình hoạt động, trục khuỷu phải đối mặt với lực khí thể và lực quán tính lớn, gây ra va đập mạnh và hao mòn trên bề mặt ma sát Tuổi thọ của trục khuỷu và thanh truyền phụ thuộc vào độ bền, độ cứng và chính xác của trục khuỷu, với yêu cầu về trọng lượng nhẹ và khả năng chống mòn cao.
Hình 2.5: Kết cấu trục khuỷu
Trục khuỷu được thiết kế với 9 khối lượng cân bằng, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động Phần góc lượn của cổ trục được lăn ép bề mặt để tăng cường độ bền Ngoài ra, trên trục khuỷu còn có các lỗ khoan để dẫn dầu bôi trơn cho chốt khuỷu và cổ khuỷu, đảm bảo hoạt động trơn tru và giảm ma sát.
+ Cơ cấu phân phối khí
• Mỗi xi lanh của động cơ này có 2 van nạp và 2 van xả, hiệu quả hút và xả được tăng lên do tổng khu vực cảng lớn hơn.
Động cơ này được trang bị cánh tay lăn hỏa tiễn kết hợp với vòng bi kim, giúp giảm thiểu ma sát giữa cam và các khu vực đẩy van xuống, từ đó nâng cao hiệu suất tiết kiệm nhiên liệu.
Một điều chỉnh đòn thủy lực được sử dụng để duy trì áp lực không liên tục thông qua việc sử dụng dầu áp lực và lực lò xo.
Các trục cam lượng được điều khiển bởi trục khuỷu thông qua xích dẫn động trục cam sơ cấp, trong khi các trục cam xả được điều khiển bởi trục cam tương ứng thông qua các xích dẫn động thứ cấp.
Động cơ này được trang bị hệ thống VVT-i kép, điều khiển van nạp và xả trục cam để tối ưu hóa thời gian van theo điều kiện lái xe Nhờ vào công nghệ này, động cơ đạt được hiệu suất cao hơn, tiêu thụ nhiên liệu thấp và giảm thiểu lượng khí thải.
Cơ cấu phối khí là hệ thống bao gồm các cụm, chi tiết và kết cấu, có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo quá trình trao đổi khí giữa xylanh động cơ và môi trường bên ngoài Hệ thống này thực hiện chức năng nạp khí vào xylanh và thải các sản phẩm cháy ra ngoài, góp phần tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ.
Yêu cầu đối với cơ cấu phối khí đó là:
- Nạp đầy và thải sạch ở mọi chế độ làm việc của động cơ.
- Tiếng ồn thấp, khả năng bao kín tốt.
- Độ bền và độ tin cậy làm việc cao.
- Dễ dàng lắp ráp thay thế chi tiết và sửa chữa bảo dưỡng điều chỉnh.
Cơ cấu phối khí xupáp treo giúp buồng cháy nhỏ gọn và chống cháy kích nổ hiệu quả, cho phép tăng tỉ số nén Điều này cải thiện dạng đường thải và nạp, giảm sức cản khí động Việc bố trí xupáp hợp lý cũng tăng tiết diện lưu thông của dòng khí, từ đó nâng cao hệ số nạp Các chi tiết chính của cơ cấu phối khí bao gồm trục cam và xupáp.
Giữa thân và tán nấm có bán kính góc lượn lớn, giúp cải thiện lưu thông khí nạp vào xylanh, đồng thời tăng độ cứng vững cho xupáp và giảm trọng lượng Phần đuôi được tôi cứng để nâng cao độ bền.
Xupáp thải được chế tạo từ thép chịu nhiệt, với phần đuôi được tôi cứng nhằm ngăn chặn mòn Đuôi xupáp có rãnh để lắp móng hãm hình côn, được chia thành hai nửa, mang lại cấu trúc đơn giản và độ an toàn cao, đồng thời không tạo ra ứng suất tập trung Để dễ dàng sửa chữa và giảm thiểu hao mòn cho nắp xylanh tại vị trí lắp xupáp, ống dẫn hướng hình trụ rỗng được lắp ép vào nắp xylanh ở một khoảng cách nhất định.
+ Đế xupáp hình ống, mặt trong được vát góc theo góc vát của tán nấm và được đóng trên nắp máy
+ Lò xo xupáp hình trụ hai đầu được quấn sít với nhau và mài phẳng.
- Các trục cam được làm bằng hợp kim gang.
• Một đoạn dầu được cung cấp trên hút và xả trục cam để cung cấp dầu động cơ với hệ thống VVT-i.
• Một bộ điều khiển VVT-i đã được cài đặt trên mặt trước của hút và xả trục cam để thay đổi thời gian của các van hút và xả.
Hệ thống bôi trơn, làm mát
Hệ thống bôi trơn Nhiệm vụ hệ thống bôi trơn:
Hệ thống bôi trơn đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp dầu bôi trơn đến các bề mặt làm việc của động cơ, giúp duy trì điều kiện hoạt động bình thường và kéo dài tuổi thọ của các chi tiết Động cơ 5GR-FE được trang bị mạch bôi trơn hoàn chỉnh với áp lực dầu ổn định và toàn bộ dầu đều được lọc qua bộ lọc dầu.
+ Bơm dầu loại rôto cycloid được sử dụng.
Sơ đồ hệ thống bôi trơn được thể hiện trên hình 2.12
Hình 2.12 Sơ đồ hệ thống bôi trơn
Nguyên lý làm việc của hệ thống bôi trơn bắt đầu khi dầu trong cácte được hút vào bơm qua phao hút dầu Phao hút dầu được trang bị lưới chắn nhằm lọc sơ bộ các tạp chất lớn Sau khi được bơm, dầu sẽ được đẩy qua bộ làm mát dầu, nơi dầu được làm mát trước khi tiếp tục đi đến đường dầu chính Tại đây, dầu sẽ đi qua cốc lọc và được phân phối đến các nhánh để bôi trơn trục khuỷu, sau đó lên bôi trơn đầu to thanh truyền, chốt piston, và cuối cùng là trục cam.
Két làm mát dầu đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì nhiệt độ dầu bôi trơn trong khoảng 80-90°C khi động cơ hoạt động ổn định Tuy nhiên, trong điều kiện môi trường nóng và khi động cơ phải chịu tải nặng trong thời gian dài, nhiệt độ dầu có thể vượt quá giới hạn cho phép Do đó, việc sử dụng két làm mát dầu là cần thiết để hạ nhiệt Hệ thống bôi trơn của động cơ thường áp dụng két làm mát dầu kiểu ống, được làm mát bằng không khí và được lắp đặt trước két nước của động cơ để đảm bảo hiệu suất làm mát tối ưu.
Van an toàn là thiết bị quan trọng giúp bảo vệ hệ thống khỏi hư hỏng do áp suất dầu vượt quá giới hạn cho phép Chức năng chính của van an toàn là đảm bảo áp lực trong hệ thống luôn trong mức an toàn, đặc biệt trong các hệ thống làm mát Việc sử dụng van an toàn không chỉ giúp duy trì hiệu suất hoạt động của hệ thống mà còn kéo dài tuổi thọ của các thiết bị liên quan.
*Nhiệm vụ hệ thống làm mát :
Khi động cơ hoạt động, các chi tiết bên trong, đặc biệt là trong buồng cháy, phải chịu nhiệt độ rất cao, với nhiệt độ đỉnh piston có thể đạt tới 600°C và nhiệt độ xupáp thải lên đến 900°C Nhiệt độ cao này có thể gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng cho động cơ.
-Giảm sức bền, độ cứng vững và tuổi thọ các chi tiết;
-Bó kẹt giữa các cặp chi tiết chuyển động như piston-xylanh, trục khuỷu-bạc lót…;
-Giảm hệ số nạp nên giảm công suất động cơ;
-Kích nổ trong động cơ.
Hệ thống làm mát giữ cho nhiệt độ của các chi tiết động cơ 5GR-FE không vượt quá giới hạn cho phép, đảm bảo điều kiện làm việc tối ưu Hệ thống này sử dụng nước và hoạt động theo kiểu kín, tuần hoàn cưỡng bức nhờ vào bơm nước.
Khi động cơ hoạt động, cơ cấu dẫn động kích hoạt bơm nước, giúp nước lạnh từ két mát được bơm vào các khoang trong nắp máy Nước sau đó sẽ theo các đường dẫn trên nắp máy trở về két mát và bơm nước Để duy trì nhiệt độ nước làm mát ổn định, hệ thống làm mát được trang bị van hằng nhiệt.
Khi nhiệt độ nước trong hệ thống dưới 70°C, van hằng nhiệt 5 sẽ đóng đường nước ra két mát Nước được bơm tuần hoàn cưỡng bức đến các khoang trên nắp máy để làm mát cho toàn bộ hệ thống.
Khi nhiệt độ nước làm mát vượt quá 80oC, van hằng nhiệt sẽ mở hoàn toàn, cho phép nước từ bơm nước chảy vào các khoang trên nắp máy Nước nóng sau khi ra khỏi nắp máy sẽ được dẫn vào két mát thông qua van hằng nhiệt 5 Sau khi được làm mát tại két, nước sẽ quay trở lại bơm nước để tiếp tục chu trình Để theo dõi nhiệt độ nước làm mát, bảng đồng hồ sẽ hiển thị chỉ số nhiệt độ, cùng với một bộ cảm biến để cảnh báo bằng đèn nguy hiểm trong cabin, khi đèn sáng có nghĩa là động cơ đang quá nóng.
+Bơm nước và quạt gió
Bơm nước trong hệ thống làm mát của động cơ là bơm ly tâm, có chức năng cung cấp nước tuần hoàn cưỡng bức để duy trì nhiệt độ hoạt động tối ưu Bơm này được dẫn động bằng đai từ trục khuỷu của động cơ, đảm bảo hiệu quả làm mát liên tục.
Quạt gió đóng vai trò quan trọng trong việc tạo dòng khí, giúp hút qua két nước nhằm tăng cường hiệu quả làm mát nước nóng sau khi động cơ đã được làm mát Được lắp đặt ở đầu phía trước của trục bơm nước, quạt gió có cánh được chế tạo từ thép lá Để nâng cao năng suất và điều hướng dòng khí, vành quạt gió được thiết kế với hom khí.
Hệ thống đánh lửa
* Nhiệm vụ hệ thống đánh lửa
Hệ thống đánh lửa đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra tia lửa điện cao áp từ 12-14kV để đốt cháy hỗn hợp không khí và nhiên liệu trong động cơ vào cuối kỳ nén Để đạt hiệu quả cháy tối ưu, hệ thống cần đốt cháy hỗn hợp ngay lập tức Thời điểm đánh lửa chính xác được xác định dựa trên vị trí của piston, với bộ ECU động cơ nhận tín hiệu từ các cảm biến và điều chỉnh thời điểm đánh lửa cho phù hợp.
Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS) đã cải thiện đáng kể thời gian khởi động, giảm thiểu mất mát điện áp cao và nâng cao độ tin cậy tổng thể của hệ thống đánh lửa bằng cách loại bỏ nhà phân phối Đây là một hệ thống độc lập, với mỗi xilanh được trang bị một thiết bị đánh lửa riêng biệt (bao gồm ngòi nổ).
* Sơ đồ hệ thống và nguyên lí làm việc
Sơ đồ hệ thống đánh lửa động cơ 2GR-FE được thể hiện trên hình 2.15
Hình 2.15 Sơ đồ hệ thống đánh lửa của động cơ 2GR-αFE
-Bật khoá điện, khi trục khuỷu động cơ chưa quay, ECU chưa nhận được xung
G Dòng sơ cấp đi qua cuộn dây sơ cấp về cực (-) ắcqui ( battery).
Khi trục khuỷu động cơ quay, cảm biến đánh lửa gửi xung G cùng các thông tin khác đến ECU Tại đây, bộ phận máy tính phụ trách đánh lửa xử lý tín hiệu và phát ra xung IGT phù hợp với góc đánh lửa sớm Tại bộ xác định thời điểm đánh lửa, xung IGT được kiểm soát và chuẩn hoá lại Nếu dòng Isc bị mất đột ngột, cuộn thứ cấp sẽ tạo ra điện áp cao để đánh lửa qua bugi Cuối cùng, bộ phát xung IGF gửi tín hiệu ngược về ECU để xác nhận rằng hệ thống đánh lửa đang hoạt động.
THIẾT KẾ CƠ CẤU PISTON THANH TRUYỀN
Nhóm piston
Nhóm piston gồm có piston, chốt piston, xéc măng khí, xéc măng dầu, vòng hãm chốt.
Trong quá trình làm việc của động cơ, nhóm piston có các nhiệm vụ chính sau đây:
+ Tạo thành buồng cháy tốt ,bảo đảm bao kín buồng cháy, giữ không để khí cháy lọt xuống cácte và dầu nhờn không sục lên buồng cháy.
Tiếp nhận lực khí thể Pz, thanh truyền truyền lực này để quay trục khuỷu và phát công suất ra ngoài Trong quá trình nén, piston nén khí nạp, trong khi trong quá trình thải, piston hoạt động như một bơm đẩy và quét khí.
3.1.1.1 Điều kiện làm việc và yêu cầu của piston a Điều kiện làm việc:
Piston là một bộ phận thiết yếu trong động cơ đốt trong, đóng vai trò quan trọng trong quá trình hoạt động của động cơ Trong quá trình làm việc, piston phải chịu đựng tải trọng cơ học và nhiệt độ cao, ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và độ bền của động cơ.
Tải trọng cơ học chủ yếu xuất phát từ lực khí thể và lực quán tính, gây ra sự biến thiên theo chu kỳ Điều này dẫn đến va đập mạnh giữa các chi tiết máy như piston, xy lanh và thanh truyền, gây biến dạng cho piston và đôi khi dẫn đến hỏng hóc.
-Tải trọng nhiệt : do tiếp xúc với nhiệt độ rất cao trong quá tŕnh cháy nên nhiệt độ phần đỉnh piston thường rất cao.
+ Gây ra ứng suất nhiệt lớn có thể làm rạn nứt cục bộ, giảm độ bền của piston.
+ Gây ra biến dạng nhiệt khiến piston bị bó kẹt trong xy lanh và làm tăng ma sát giữa piston và xy lanh.
+ Giảm hệ số nạp làm giảm công suất của động cơ.
+ Làm dầu nhờn nhanh chóng bị phá hủy
+ Đối với động cơ xăng, nhiệt độ đỉnh quá cao c ̣n thường gây ra hiện tượng cháy sớm và kích nổ.
Ma sát và ăn mòn hóa học là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến bề mặt thân piston Trong quá trình hoạt động, bề mặt này thường ở trạng thái ma sát nửa khô do thiếu dầu bôi trơn Đỉnh piston tiếp xúc trực tiếp với khí cháy, dẫn đến hiện tượng ăn mòn hóa học do các thành phần axít sinh ra trong quá trình cháy.
- Dạng đỉnh piston tạo thành buồng cháy tốt nhất
- Tản nhiệt tốt để tránh kích nổ và bó kẹt
- Có trọng lượng nhỏ để giảm lực quán tính
- Đủ bền và đủ độ cứng vững để tránh biến dạng quá lớn
- Đảm bảo bao kín buồng cháy để công suất động cơ không giảm sút và ít hao dầu nhờn.
3.1.1.2 Kết cấu của piston a Đỉnh piston Đỉnh piston là phần trên cùng của piston cùng với xylanh và nắp xylanh tạo thành buồng cháy. Đỉnh piston của động cơ 2GR – FE là đỉnh lõm, buồng cháy tạo ra xoáy lốc nhẹ, cải thiện được quá trình cháy. b Đầu piston Đầu piston bao đỉnh piston và vùng đai lắp các xéc măng làm nhiệm vụ bao kín Trên bề mặt trụ ngoài của piston có lắp 3 rảnh để lắp xéc măng: 2 rảnh lắp xéc măng khí, 1 rảnh lắp xéc măng dầu Vì kết cấu của đầu piston không có rảnh chắn nhiệt nên xéc măng khí thứ nhất phải làm việc trong điều kiện quá nóng, tuy vậy nhờ được bố trí gần khu vực nước làm mát do đó điều kiện làm việc của nó được cải thiện hơn Khi tính toán thiết kế đầu piston cần chú ý giải quyết 3 vấn đề: tản nhiệt, vấn đề bao kín và sức bền.
Thân piston: Thân piston làm nhiệm vụ dẫn hướng cho piston dẫn động trong xylanh và chịu lực ngang N.
Chiều dài thân piston của động cơ cao tốc là thân thường ngắn và vát bớt hai bên hông.
Lỗ bệ chốt trong động cơ xăng cao tốc thường được đặt lệch khỏi đường tâm xylanh, tạo thành cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền Sự thiết kế này không chỉ cải thiện quá trình nạp khí mà còn giảm lực ngang N, giúp động cơ vận hành êm hơn Độ lệch của lỗ bệ chốt về phía chiều quay thường dao động từ 2 đến 3 mm.
Thân piston thường có hình dạng ô van hoặc vát ngắn ở hai đầu bệ chốt, thay vì hình trụ Để tăng cường độ cứng vững, thân piston được thiết kế với vành đai Ngoài ra, để điều chỉnh trọng lượng giữa các piston, có thể cắt bỏ một phần kim loại ở chân piston.
3.1.1.3 Tính nghiệm bền của piston a Xác định các kích thước cơ bản
Hình 3.1 Sơ đồ tính toán piston
Chiều dày đỉnh có làm mát đỉnh: ( 0,04 – 0,07 ).D
Khoảng cách c từ đỉnh đến xéc măng thứ nhất: ( 0,6 – 1,2 ).
Đường kính bệ chốt db: ( 1,3 – 1,6 ).dcp
Đường kính trong chốt d0: ( 0,6 – 0,8 ).dcp
Ta chọn: 1,8 [ mm ] b Điều kiện tải trọng
Piston chịu lực khí thể Pkt, quán tính và lực ngang N, đồng thời phải đối mặt với tải trọng nhiệt không đều Trong quá trình tính toán kiểm nghiệm bền, thường xem xét điều kiện tải trọng lớn nhất để đảm bảo độ tin cậy và hiệu suất của piston.
Nhóm thanh truyền
Nhóm thanh truyền bao gồm thanh truyền, bu lông thanh truyền và bạc lót Trong quá trình hoạt động, nhóm thanh truyền truyền lực từ piston đến trục khuỷu, giúp trục khuỷu quay.
3.2.1.1 Điều kiện làm việc và vật liệu chế tạo của thanh truyền a Điều kiện làm việc của thanh truyền
Thanh truyền kết nối piston và trục khuỷu, chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay tròn của trục khuỷu Trong quá trình hoạt động, thanh truyền phải chịu đựng nhiều lực tác động khác nhau.
- Lực khí thể trong xy lanh
- Lực quán tính chuyển động tĩnh tiến cảu nhóm piston
- Lực quán tính của thanh truyền
Các lực này thay dổi theo chu kỳ,vì vậy tải trọng tác dụng lên thanh truyền là tải trọng động
Dưới tác dụng của các lực đó, thân thanh truyền bị nén, uốn dọc, uốn ngang
; đầu nhỏ thanh truyền bị biến dạng méo; nắp đầu to bị uốn và kéo. b Vật liệu chế tạo của thanh truyền
Vật liệu chế tạo thanh truyền thường là thép cacbon và thép hợp kim tùy theo từng loại động cơ.
3.2.1.2 Kết cấu của thanh truyền a Đầu nhỏ thanh truyền
Kết cấu đầu nhỏ thanh truyền phụ thuộc vào kích thước và phương pháp lắp ghép chốt piston lên thanh truyền.
Khi lắp chốt tự do: đầu nhỏ thanh truyền có dạng hình trụ rỗng.
Khi lắp chốt tự do, cần chú ý đến việc bôi trơn mặt chốt piston và bạc lót đầu nhỏ Dầu nhờn thường được đưa lên để bôi trơn thông qua đường dẫn dầu khoan dọc trong thân thanh truyền.
Hình 3.6 Kết cấu đầu nhỏ thanh truyền b Thân thanh truyền
Chiều dài l của thanh truyền phụ thuộc vào thông số λ= R l
Tiết diện ngang của thân thanh truyền như hình 3.7
Hình 3.7 Tiết diện thân thanh truyền
Loại thân thanh truyền có tiết diện chữ I hình 3.7 a,b được ứng dụng rỗng rãi trong các động cơ.
Thân thanh truyền có tiết diện chữ nhật và ô van là loại đơn giản trong chế tạo, thường được sử dụng cho động cơ mô tô, xe máy, xuồng máy và các động cơ xăng cỡ nhỏ Đặc biệt, đầu to của thanh truyền đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất hoạt động của động cơ.
Kết cấu đầu to thanh truyền phải đảm bảo các yêu cầu sau đây :
- Có độ cứng vững lớn để bạc lót không bị biến dạng.
Kích thước nhỏ gọn giúp giảm lực quán tính, giảm tải trọng lên chốt khuỷu và ổ trục Điều này không chỉ làm giảm kích thước hộp trục khuỷu mà còn cho phép đặt trục cam gần trục khuỷu, từ đó tạo ra buồng cháy động cơ với cơ cấu xu pắp nhỏ gọn hơn.
- Chổ chuyển tiếp giữa thân và đầu to phải có góc lượn để tăng độ cứng vững.
Lắp ghép cụm piston và thanh truyền với trục khuỷu trở nên dễ dàng hơn, đặc biệt trong các động cơ đầu to Các động cơ này thường được chia thành hai phần: phần trên liền với thân máy và phần dưới là nắp đầu to thanh truyền.
Hình 3.8 Kết cấu đầu to thanh truyền
3.2.2 Bạc lót đầu to thanh truyền
3.2.2.1 Vật liệu chịu mòn và kết cấu của bạc lót a Vật liệu chịu mòn
Yêu cầu đối với vật liệu chịu mòn:
- Có tính chống mòn tốt, có hệ số ma sát nhỏ
- Có độ cứng thích đáng và độ dẻo cần thiết
- Giữ được dầu bôi trơn
- Chóng và khít với bề mặt trục
- Dễ đúc và dễ bám với vỏ thép
Vật liệu chế tạo bạc lót:
- Nhóm kim loại: gồm có babít, đồng thanh - thiết, đồng thanh - chì, hợp kim nhôm, hợp kim kẽm, gang chống mòn.
- Nhóm phi kim loại: gồm chất dẻo, gỗ ép
- Nhóm kim loại gốm: gồm các bột kim loại ép như: sắt - graphit, đồng thanh - graphit. b Kết cấu bạc lót
Hợp kim chịu mòn đúc tráng lên đầu to thanh truyền có thể có hai cách sau đây:
- Tráng trực tiếp hợp kim chịu mòn lên đầu to thanh truyền.
Bạc lót được phân loại thành hai loại chính: bạc lót dày và bạc lót mỏng, tùy thuộc vào độ dày của lớp hợp kim chịu mòn.
3.2.3.1 Điều kiện làm việc và vật liệu chế tạo a Điều kiện làm việc
Bulông thanh ruyền là một chi tiết nhỏ nhưng rất quan trọng, vì nếu bulông thanh truyền bị đứt, động cơ sẽ hư hỏng nặng.
Trong khi làm việc, bulông thanh truyền chịu các lực sau:
- Lực xiết ban đầu khi lắp ghép
- Lực quán tính của khối lượng vận động tĩnh tiến và lực quán tính ly tâm của khối lượng vận động quay. b Vật liệu chế tạo
Vật liệu chế tạo bulông thanh truyền chủ yếu là thép hợp kim, trong khi thép cacbon chỉ được sử dụng cho động cơ hai kỳ với tốc độ chậm Kết cấu của bu lông thanh truyền đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất và độ bền của động cơ.
Hình dạng kết cấu của bulông thanh truyền rất đa dạng, chủ yếu phụ thuộc vào công dụng của động cơ và các phương pháp cải thiện sức bền mỏi của bulông.
Hình 3.9 Kết cấu bulông thanh truyền
3.2.4.1 Xác định các kích thước cơ bản đầu nhỏ thanh truyền
- Đường kính ngoài bạc d1: ( 1,1 – 1,25 ).dcp
Chiều dày bạc đầu nhỏ: (0,055 – 0,085).dcp
3.2.4.2 Xác định các kích thước cơ bản đầu to thanh truyền
- Đường kính chốt khuỷu dck: (0,56 – 075).D
Ta chọn: dck = 0,65=> dck =0,65 100e( mm )
- Chiều dày bạc lót tbl:
Ta chọn tbl = 0,04=> tbl =0,04.65=2,6 (mm)
Khoảng cách tâm bu lông c: (1,3 – 1,75).dck
Chiều dài đầu to thanh truyền lđt: (0,45 – 0,95).dck
Ta chọn: lđt = 0,65=> lđt =0,65.65B,25(mm)
Hình 3.11 Sơ đồ tính toán đầu to thanh truyền