Nguyễn Duy Tiến Bộ môn Động cơ đốt trong Khoa Cơ khí - Trường Đại học GTVT Tóm tắt: Bμi báo trình bμy một số biện pháp nâng cao tuổi thọ của động cơ đời mới khai thác trong điều kiện n
Trang 1Nâng 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 - Trường Đại học GTVT
Tóm tắt: Bμi báo trình bμy một số biện pháp nâng cao tuổi thọ của động cơ đời mới khai
thác trong điều kiện nhiệt đới Việt Nam vμ trình bμy một số kết quả nghiên cứu của tác giả ở nước ngoμi vμ trong nước 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
dưỡng 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 nước ta hiện nay
các liên doanh lắp ráp ôtô cho ra thị trường
hàng loạt nhưng 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 cường tỷ
lệ nội địa hoá chi tiết là vấn đề được đặt lên hàng đầu
i hướng 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 hưởng của sự sai lệch khi lắp ráp cơ cấu trục khuỷu
Trang 2thanh truyền
Dưới 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 nước tư bản như Pháp, Đức, ý, )
đều sử dụng động cơ có hành trình S/D ngắn
(S/D = 95/100; 95/108) cho phép cường 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 được độ bền của nhóm pittông - xilanh
- Hành trình ngắn và các đường kính của
cổ và chốt khuỷu lớn làm tăng độ trùng điệp
cổ, chốt khuỷu, làm tăng được độ cứng vững
của trục khuỷu và cải thiện tốt điều kiện làm
việc của các ổ đỡ trục
- Thân pittông được kéo dài, phía trên
vòng găng thứ nhất có một rãnh có vòng găng
ở trong nên tăng được 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
phương trục pittông đề phòng giãn nở nhiệt
Tâm chốt pittông lệch với đường 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 được 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 người 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 được làm mát bằng nước khi động cơ làm việc nhiệt
độ nước làm mát tốt nhất là (85 ữ 90)0C, 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 > 1000C 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 nước biển) áp suất khí quyển giảm, mật
độ khí nạp giảm dẫn đến giảm năng suất quạt gió, giảm mức truyền nhiệt từ két nước ra không khí hạ thấp nhiệt độ sôi của nước (<1000C nước đã sôi), vì vậy động cơ mau nóng giảm tuổi thọ động cơ
Đối với Việt Nam, Đường bộ kéo dài từ Cửa khẩu Hữu nghị đến Mũi Cà mau, nhiệt độ mùa hè có lúc trên 400C ở đồng bằng nên mật
độ không khí giảm nhiều cũng ảnh hưởng 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 phương 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 nước phụ) ở hầu hết các ô tô du lịch đời mới như 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 dưới nhiệt độ tới hạn đến mức hơi nước của các sản phẩm cháy có thể ngưng tụ trên bề mặt các chi tiết thì sẽ tăng độ rỉ ăn mòn và
Trang 3các 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 đưa
nhiệt độ động cơ lên ≈ 800C) và giữ nhiệt độ
các chi tiết khác một cách hợp lý Điều này
động cơ ô tô đời mới đã đảm bảo được bằng
cách bố trí các cảm biến tự động báo về máy
tính điều khiển phun xăng (ECU)
ii Vấn đề chạy rμ các động cơ khi
lắp ráp vμ 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 hư hỏng Điều này đặc
biệt quan trọng khi nước ta đang trên đà hội
nhập và đổi mới, nhất là với nền công nghiệp
ôtô còn non trẻ của Việt Nam
Thông thường 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
được mọi phụ tải cho đến phụ tải giới hạn,
tương ứng với các chỉ tiêu công suất và tiết
kiệm, giảm độ mòn chung của động cơ sau
này Muốn vậy phải có phương pháp chạy rà
hợp lý trên bệ, tìm được phương pháp hợp lý
phù hợp với mỗi loại động cơ là một đề tài cần
được nghiên cứu Trong thực tế có rất nhiều
yếu tố ảnh hưởng đến việc chạy rà động cơ
như:
- Tính chất kim loại của các cặp chi tiết
ma sát
- Chất lượng gia công cơ khí (độ mấp mô
bề mặt chi tiết, sai lệch về hình dáng, kích
thước) các phương pháp gia công cơ khí (nhiệt luyện, tôi cao tần, thấm hoá học), chất lượng lắp ráp, dầu bôi trơn, trạng thái nhiệt của động cơ, tốc độ ma sát trượt, 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
Trước hết ta tính sơ bộ chế độ phụ tải theo áp suất thực tế trung bình pe Vì pe đặc trưng 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:
e h
e e
n i V
N 450
, KG/cm2
trong đó:
τ - hệ số kỳ (động cơ 2 kỳ τ = 1; động cơ
4 kỳ τ = 2)
Ne - công suất thực tế (mã lực)
Vh - thể tích công tác của 1 xi lanh (cm3)
i - số xi lanh
Trang 4ne - tốc độ động cơ, vg/ph
Trong động cơ thí nghiệm pelà hàm số
của
e
e
n
N
Pe = ⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
e
e
n
N f
Sau khi tính toán ta xây dựng được đồ thị:
pe = ⎜⎜⎛ ⎟⎟⎞
e
e
n
N f
Hình 1 Đồ thị =∫ )
n
N ( p
e
e e
a áp lực pvg
1 có tải
2 không tải
3 chạy rà nguội
b Đồ thị pe = ⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
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 như áp suất khí thể trong
xi lanh(pkt) và giảm dần đối với các vòng găng tiếp theo
Thực nghiệm chứng minh rằng:
- vòng găng thứ nhất chịu 76% pkt
- vòng găng thứ 2 chịu 20% pkt
- vòng găng thứ 3 chịu 7,6% pkt 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
được áp suất tổng cộng của vòng găng lên thành xi lanh pvg
pvg =
1
j kt y
kt
f 1
) p p 87 , 0 ( p d b d
ư
ư
ư +
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ ư p 76 , 0
f - hệ
; KG/cm2
10
15
20
25
30
35
pvg KG/cm
pe
500 900 1100 1300 1500 1700 1900 2100
10 15
ne v/p
5
a/
b/
1 2 3
2400
Ne ml
trong đó:
d - đường kính ngoài vòng găng
b - chiều rộng vòng găng (chiều dầy hướng kính)
số ma sát giữa vòng găng và xilanh (f = 0,2)
f1 - hệ số ma sát giữa vòng găng và pittông f1 = 0,15
pj - lực quán tính chuyển động tịnh tiến
- Bước 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 pb
pb =
l
d
F R
1
; KG/cm2
Trang 5R - phụ tải tác dụng lên chốt theo 1 cm
bề mặt pittông, lấy Rmax ở đồ thị khai triển từ
đồ thị độc cực)
F - diện tích đỉnh pittông, F =
4
D 2 π , cm2
D - đường kính xi lanh, cm
d1 - đường kính trong bạc lót, cm
l - chiều dài làm việc của bạc, cm
Sau đó dựng đồ thị pb= 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 pb
đang tăng) Khi thấy pb 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 đưa ra hướng nghiên cứu để không ngừng nâng cao chất lượng nội địa hoá phụ tùng, chất lượng lắp ráp và nhiệt đới hoá phương 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 lượng khai thác, bảo dưỡng sửa chữa động cơ dùng trên các phương tiện GTVT tại Việt Nam Đề tài NCKH cấp Bộ B98-35-66, Chủ
trì: TS Nguyễn Duy Tiến♦
