Nâng cao tuổi thọ của động cơ ô tô đời mới khai thác trong điều kiện Việt Nam TS. Nguyễn Duy Tiến Bộ môn Động cơ đốt trong Khoa Cơ khí - Trờng Đại học GTVT Tóm tắt: Bi báo trình by một số biện pháp nâng cao tuổi thọ của động cơ đời mới khai thác trong điều kiện nhiệt đới Việt Nam v trình by một số kết quả nghiên cứu của tác giả ở nớc ngoi v trong nớc về nâng cao hiệu quả khai thác động cơ ô tô đời mới. Summary: The article presents some methods of improving the age of automobile engines of new types assembled and operated in Viet Namese tropical context. The article also presents some national and oversea research results in this field. Trong chế tạo, lắp ráp và khai thác ô tô, động cơ đóng vai trò quan trọng nhất và làm việc nặng nhọc nhất. Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực động cơ ô tô nhằm các mục đích sau: 1. Nâng cao công suất, nhất là công suất/ lít (mã lực/lít thể tích công tác). 2. Nâng cao chỉ tiêu tiết kiệm (tính kinh tế của động cơ). 3. Nâng cao tuổi thọ khi khai thác (thời gian phục vụ). 4. Hạ giá thành chế tạo, khai thác và bảo dỡng sửa chữa động cơ. Mỗi một hệ thống, mỗi cơ cấu, mỗi cụm chi tiết đều có nhiều dạng đề tài cần nghiên cứu, nhất là trong tình hình nớc ta hiện nay các liên doanh lắp ráp ôtô cho ra thị trờng hàng loạt nhng xe đời mới có giá thành cao. Đặc biệt, theo Tổng Công ty Công nghiệp ô tô Việt Nam thì sắp tới chúng ta có một loạt các nhà máy chế tạo động cơ và ô tô mang nhãn hiệu Việt Nam. Trong đó tăng cờng tỷ lệ nội địa hoá chi tiết là vấn đề đợc đặt lên hàng đầu. i. hớng để chúng ta có thể nghiên cứu 1. Nâng cao tuổi thọ động cơ bằng cách cải tiến kết cấu động cơ. 2. Nâng cao tuổi thọ động cơ bằng cách điều chỉnh tự động trạng thái nhiệt trong động cơ. 3. Nâng cao độ bền bằng cách điều chỉnh hệ thống nhiên liệu (các bua ra tơ hồi tiếp điện tử, phun xăng EFI) phun xăng trực tiếp GDI. 4. Cải tiến việc thiết kế chế tạo vòng găng cho phù hợp với điều kiện khai thác. 5. Cải tiến hệ thống nạp khí, đỉnh pittông để phù hợp với hệ thống phun xăng điện tử. 6. Chế độ chạy rà động cơ và ảnh hởng của sự sai lệch khi lắp ráp cơ cấu trục khuỷu thanh truyền. Dới đây xin trình bày sơ bộ một số biện pháp trên: 1. Sử dụng động cơ có hành trình S/D ngắn Những năm đầu thế kỷ XXI các động cơ ô tô (đặc biệt là các nớc t bản nh Pháp, Đức, ý, ) đều sử dụng động cơ có hành trình S/D ngắn (S/D = 95/100; 95/108) cho phép cờng hoá (nâng cao công suất) bằng cách tăng tốc độ quay của trục khuỷu lên 5000 ữ 6000 vg/ph trong khi tốc độ trung bình của pittông tăng không đáng kể. Nhờ đó vẫn giữ đợc độ bền của nhóm pittông - xilanh. - Hành trình ngắn và các đờng kính của cổ và chốt khuỷu lớn làm tăng độ trùng điệp cổ, chốt khuỷu, làm tăng đợc độ cứng vững của trục khuỷu và cải thiện tốt điều kiện làm việc của các ổ đỡ trục. - Thân pittông đợc kéo dài, phía trên vòng găng thứ nhất có một rãnh có vòng găng ở trong nên tăng đợc tố độ bền của pittông, giảm mòn theo chiều cao rãnh và giảm mòn cho bản thân vòng găng. - Mặt ngoài vòng găng có mạ 1 lớp Crôm xốp mỏng, thân pittông có dạng ô - van ở phơng trục pittông đề phòng giãn nở nhiệt. Tâm chốt pittông lệch với đờng tâm xi lanh 1 đoạn 1,6mm về phía lực ngang N cực đại để giảm va đập của đầu pittông vào phần trên thành xi lanh, giảm tiếng ồn, làm cho áp lực của pittôngvào thành xilanh đợc đồng đều ở cả 2 bên và theo chiều cao của thân. - Thanh truyền khi gia công có phun hạt vào bề mặt để tăng độ bền mòn. Nói tóm lại, khi thiết kế và gia công các cụm và chi tiết ngời ta đã áp dụng các biện pháp công nghệ tiên tiến để nâng cao độ bền của tất cả các chi tiết quan trọng, các cơ cấu và hệ thống của động cơ ô tô. 2. Nâng cao tuổi thọ của động cơ bằng cách cải tiến hệ thống làm mát Đa số động cơ lắp ráp ở Việt Nam đợc làm mát bằng nớc khi động cơ làm việc nhiệt độ nớc làm mát tốt nhất là (85 ữ 90) 0 C, nếu quá thấp nhiệt độ sấy hỗn hợp sẽ giảm nhanh, tăng mòn thành xi lanh phía đối diện xupáp nạp, độ nhớt dầu cao bôi trơn khó, cháy kém. Nếu quá nóng > 100 0 C máy quá nóng dễ sinh kích nổ, hao xăng giảm công suất, các chi tiết mau mòn, nhanh bị phá hỏng. ô tô hoạt động ở vùng núi cao (so với mặt nớc biển) áp suất khí quyển giảm, mật độ khí nạp giảm dẫn đến giảm năng suất quạt gió, giảm mức truyền nhiệt từ két nớc ra không khí hạ thấp nhiệt độ sôi của nớc (<100 0 C nớc đã sôi), vì vậy động cơ mau nóng giảm tuổi thọ động cơ. Đối với Việt Nam, Đờng bộ kéo dài từ Cửa khẩu Hữu nghị đến Mũi Cà mau, nhiệt độ mùa hè có lúc trên 40 0 C ở đồng bằng nên mật độ không khí giảm nhiều cũng ảnh hởng nhiều tới hệ thống làm mát. Vì vậy để đảm bảo cho hệ thống làm mát của động cơ làm việc tốt ở mọi địa phơng các nhà lắp ráp, nhập khẩu linh kiện ở Việt Nam đã tiến hành một số cải tiến sau: - Sử dụng bình giãn nở (bình nớc phụ) ở hầu hết các ô tô du lịch đời mới nh Camry, Ford, Mazda-6V, Mazda 3 - Sử dụng quạt gió truyền động điện (quạt điện) có hệ thống đóng ngắt tự động nhờ bộ ly hợp điện từ theo nhiệt độ của động cơ. 3. Tự động điều chỉnh trạng thái nhiệt trong động cơ - Độ mòn của các xi lanh, pittông, vòng găng, bạc lót, phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái nhiệt của động cơ (ngoài các nguyên nhân khác). Hạ thấp nhiệt độ của các chi tiết dới nhiệt độ tới hạn đến mức hơi nớc của các sản phẩm cháy có thể ngng tụ trên bề mặt các chi tiết thì sẽ tăng độ rỉ ăn mòn và các xi lanh của động cơ rất nhạy cảm khi bị quá nguội. Nếu thiếu điều chỉnh trạng thái nhiệt động cơ sẽ tăng rỉ ăn mòn, giảm tính kinh tế (tăng chi phí nhiên liệu 10 ữ 15%). Một trong các điều kiện để nâng cao độ bền các chi tiết, nâng cao công suất và tiết kiệm nhiên liệu là đảm bảo sấy nóng nhanh động cơ khi khởi động lạnh (nhanh chóng đa nhiệt độ động cơ lên 80 0 C) và giữ nhiệt độ các chi tiết khác một cách hợp lý. Điều này động cơ ô tô đời mới đã đảm bảo đợc bằng cách bố trí các cảm biến tự động báo về máy tính điều khiển phun xăng (ECU). ii. Vấn đề chạy r các động cơ khi lắp ráp v khai thác tại Việt nam Động cơ ô tô lắp ráp xong (chế tạo mới) hoặc sau đại tu nhất thiết phải chạy rà, nếu không động cơ nhanh h hỏng. Điều này đặc biệt quan trọng khi nớc ta đang trên đà hội nhập và đổi mới, nhất là với nền công nghiệp ôtô còn non trẻ của Việt Nam. Thông thờng áp dụng chạy rà trên bệ thí nghiệm với các chế độ hợp lý (trong các nhà máy chế tạo động cơ) hoặc các xí nghiệp liên doanh lắp ráp ô tô - nhằm nâng cao tuổi thọ của động cơ mới khi khai thác. Yêu cầu cơ bản của các động cơ là chịu đợc mọi phụ tải cho đến phụ tải giới hạn, tơng ứng với các chỉ tiêu công suất và tiết kiệm, giảm độ mòn chung của động cơ sau này. Muốn vậy phải có phơng pháp chạy rà hợp lý trên bệ, tìm đợc phơng pháp hợp lý phù hợp với mỗi loại động cơ là một đề tài cần đợc nghiên cứu. Trong thực tế có rất nhiều yếu tố ảnh hởng đến việc chạy rà động cơ nh: - Tính chất kim loại của các cặp chi tiết ma sát. - Chất lợng gia công cơ khí (độ mấp mô bề mặt chi tiết, sai lệch về hình dáng, kích thớc) các phơng pháp gia công cơ khí (nhiệt luyện, tôi cao tần, thấm hoá học), chất lợng lắp ráp, dầu bôi trơn, trạng thái nhiệt của động cơ, tốc độ ma sát trợt, các phụ tải và đặc điểm diễn biến của chúng. Để thí nghiệm trên bệ chạy rà hợp lý và phù hợp với từng loại động cơ ta nên sử dụng lý thuyết để xác định cho từng loại động cơ, sau đó kiểm tra tính toán bằng thí nghiệm trên bệ (kết quả lý thuyết gần với thực tế) cho phép ta suy ra các kết quả rút ngắn thời gian xác định chế độ chạy rà. Khi tính toán lý thuyết ta phải tiến hành tính toán nhiệt, tính toán động lực học, tính phụ tải tác dụng lên các chi tiết từ chế độ không tải đến chế độ toàn tải, tính bôi trơn các ổ trục, Sau đó thí nghiệm theo các chế độ vận tốc đã tính toán và các chế độ trung gian, từ không tải đến toàn tải, kiểm tra các thông số đo đạc trong thí nghiệm với các thông số tính toán xác định độ mòn các chi tiết và chọn các chế độ chạy rà hợp lý. Đối với một động cơ cụ thể ta sẽ có công suất lớn nhất ứng với số vòng quay ứng với công suất lớn nhất. Trớc hết ta tính sơ bộ chế độ phụ tải theo áp suất thực tế trung bình p e . Vì p e đặc trng cho động lực học về biến thiên áp suất đơn vị (áp suất riêng) trên bề mặt của các cặp ma sát trong một chu kỳ làm việc: eh e e n.i.V N 450 p = , KG/cm 2 trong đó: - hệ số kỳ (động cơ 2 kỳ = 1; động cơ 4 kỳ = 2). N e - công suất thực tế (mã lực). V h - thể tích công tác của 1 xi lanh (cm 3 ) i - số xi lanh. n e - tốc độ động cơ, vg/ph. Trong động cơ thí nghiệm p e là hàm số của e e n N P e = e e n N f Sau khi tính toán ta xây dựng đợc đồ thị: p e = e e n N f Hình 1. Đồ thị = ) n N (p e e e a. áp lực p vg 1. có tải 2. không tải 3. chạy rà nguội b. Đồ thị p e = e e n N f Sau đó, ta phải tính phụ tải trên các cặp ma sát chính: vòng găng - xilanh; chốt khuỷu - bạc lót. Sử dụng các công trình nghiên cứu của các chuyên gia về động cơ đốt trong ta thấy áp suất khí thể tác dụng lên vòng găng thứ nhất diễn biến giống nh áp suất khí thể trong xi lanh(p kt ) và giảm dần đối với các vòng găng tiếp theo. Thực nghiệm chứng minh rằng: - vòng găng thứ nhất chịu 76% p kt . - vòng găng thứ 2 chịu 20% p kt - vòng găng thứ 3 chịu 7,6% p kt Vậy ta chỉ cần tính cho vòng găng thứ nhất là đủ. Sau khi đã tính toán và giải các bài toán về động lực học ở cặp chi tiết này ta tìm đợc áp suất tổng cộng của vòng găng lên thành xi lanh. p vg . p vg = 1 jktykt f.f1 )pp.87,0(fp d b2d . + p.76,0 f - hệ ; KG/cm 2 . 10 15 20 25 30 35 p vg KG/cm 2 KG/cm 2 p e 500 900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 10 15 n e v/p 5 a/ b/ 1 2 3 5 10 20 30 40 50 60 70 2400 N e ml trong đó: d - đờng kính ngoài vòng găng. b - chiều rộng vòng găng (chiều dầy hớng kính). số ma sát giữa vòng găng và xilanh (f = 0,2). f 1 - hệ số ma sát giữa vòng găng và pittông f 1 = 0,15. p j - lực quán tính chuyển động tịnh tiến. - Bớc tiếp theo là tính toán động lực học chốt khuỷu, bạc lót để kiểm tra thêm chế độ chạy rà đã chọn. Theo tính toán và thực nghiệm áp lực ở cặp này lớn hơn áp lực ở cặp vòng găng - xilanh từ 3 ữ 4 lần. - Tiếp tục dựng các đồ thị độc cực phụ tải tác dụng lên chốt và bạc lót, tính áp lực riêng của bạc lên chốt pittông p b . p b = l.d F.R 1 ; KG/cm 2 R - phụ tải tác dụng lên chốt theo 1 cm 2 bề mặt pittông, lấy R max ở đồ thị khai triển từ đồ thị độc cực). F - diện tích đỉnh pittông, F = 4 D. 2 , cm 2 D - đờng kính xi lanh, cm d 1 - đờng kính trong bạc lót, cm l - chiều dài làm việc của bạc, cm. Sau đó dựng đồ thị p b = f(n) để xác định xem chạy rà nguội phải bắt đầu từ tốc độ nào và kết thúc ở tốc độ nào (trong phạm vi p b đang tăng). Khi thấy p b bắt đầu giảm thì thôi. Sau đó chạy rà nóng có tải Chú ý: - Chạy rà nguội - dùng động cơ điện quay động cơ. - Chạy không tải và có tải - chạy rà nóng (động cơ đã nổ máy). iii. Kết luận Trên cơ sở các vấn đề đã phân tích trên, tác giả đa ra hớng nghiên cứu để không ngừng nâng cao chất lợng nội địa hoá phụ tùng, chất lợng lắp ráp và nhiệt đới hoá phơng tiện khai thác trong điều kiện Việt Nam. Tài liệu tham khảo [1]. M.K.KHOVAKH. MOTOR VEHICLE ENGINES MOSCOW, 1971. [2]. Nghiên cứu các biện pháp nâng cao chất lợng khai thác, bảo d ỡng sửa chữa động cơ dùng trên các phơng tiện GTVT tại Việt Nam. Đề tài NCKH cấp Bộ B98-35-66, Chủ trì: TS. Nguyễn Duy Tiến . Nâng cao tuổi thọ của động cơ ô tô đời mới khai thác trong điều kiện Việt Nam TS. Nguyễn Duy Tiến Bộ môn Động cơ đốt trong Khoa Cơ khí - Trờng Đại học GTVT Tóm tắt: Bi báo trình. nâng cao tuổi thọ của động cơ đời mới khai thác trong điều kiện nhiệt đới Việt Nam v trình by một số kết quả nghiên cứu của tác giả ở nớc ngoi v trong nớc về nâng cao hiệu quả khai thác động cơ. chế độ hợp lý (trong các nhà máy chế tạo động cơ) hoặc các xí nghiệp liên doanh lắp ráp ô tô - nhằm nâng cao tuổi thọ của động cơ mới khi khai thác. Yêu cầu cơ bản của các động cơ là chịu đợc