bài giảng môn học đại cương động cơ đốt trong

bài giảng môn học đại cương động cơ đốt trong bài giảng môn học đại cương động cơ đốt trong bài giảng môn học đại cương động cơ đốt trong bài giảng môn học đại cương động cơ đốt trong bài giảng môn học đại cương động cơ đốt trong bài giảng môn học đại cương động cơ đốt trong bài giảng môn học đại cương động cơ đốt trong bài giảng môn học đại cương động cơ đốt trong bài giảng môn học đại cương động cơ đốt trong bài giảng môn học đại cương động cơ đốt trong bài giảng môn học đại cương động cơ đốt trong bài giảng môn học đại cương động cơ đốt trong bài giảng môn học đại cương động cơ đốt trong bài giảng môn học đại cương động cơ đốt trong

LỜI NểI ĐẦU

Bài giảng mụn học Đại Cương Động Cơ Đốt Trong được soạn trờn cơ sở yờu cầutrong nội dung giảng dạy mụn học cho cỏc lớp sinh viờn chớnh quy chuyờn ngành Cụngnghệ chế tạo mỏy Trường ĐH Bỏch Khoa Hà Nội đồng thời nú cũng cú thể được dựnglàm tài liệu tham khảo cho sinh viờn chuyờn ngành Động cơ, ngành ụ tụ Bài giảng đượcsoạn trờn cơ sở tham khảo giỏo trỡnh Động Cơ Đốt Trong của GS.TS Phạm Minh Tuấn vàmột số tài liệu khỏc trong và ngoài nước

Bài giảng được hoạn thành trong đợt kết thỳc tập sự năm đầu tiờn của tỏc giả tạitrường Đại Học Bỏch Khoa Hà Nội

Tỏc giả xin chõn thành cảm ơn tập thể cỏn bộ giảng dạy Bộ mụn Động cơ đốt trong,viện Cơ khớ động lực Trường Đại học Bỏch khoa Hà Nội đó đúng gúp những ý kiến quýbỏu đề tỏc giả hoàn thành bài giảng này

Tỏc giả cũng xin gửi lời cảm ơn xõu sắc đến GS.TS Phạm Minh Tuấn, PGS.TS LờAnh Tuấnn đó giỳp đỡ nhiệt tỡnh và đúng gúp cỏc ý kiến quý bỏu giỳp tỏc giả hoàn thànhbài giảng này

Tỏc giả

Nguyễn Viết Thanh

Phần mở đầu Vài nét sơ lợc về động cơ đốt trong

1 Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt

Động cơ nhiệt nói chung là những máy biến đổi nhiệt thành công Động cơ đốt trong làmột loại động cơ nhiệt, trong đó quá trình đốt cháy nhiên đợc thực hiện ngay trong buồngcông tác của động cơ Có thể phân loại động cơ đốt trong trong hệ thống động cơ nhiệttheo sơ đồ dới đây:

Hình 0-1: Động cơ đốt trong trong họ các động cơ nhiệt

2 Vài nét về lịch sử phát triển động cơ đốt trong

Một vài mốc đáng ghi nhớ:

 1860: Động cơ đốt trong đầu tiên ra đời do ông Lenoir là một ngời hầu bàn và một nhà kỹ thuật nghiệp d ở Paris chế tạo Động cơ chạy khí đốt, có hiệu suất e = 2-3%

 1876 Otto- một nhà buôn ở thành phố Koln nớc Đức chế tạo một loại động cơ cũngchạy khí đốt nhng đạt hiệu suất cao hơn với e = 10%

 1886: Hãng Daimler- Maybach cho xuất xởng động cơ xăng đầu tiên có công suất

Ne = 0,25 mã lực và tốc độ vòng quay n = 600 v/ph

 1897: động cơ diesel đầu tiên ra đời có hiệu suất khá cao, e = 26%

 1954: động cơ piston quay do hãng NSU-Wankel chế tạo nổi bật về tính gọn nhẹ.Ngành chế tạo động cơ đốt trong phát triển rất mạnh Hiện nay sản lợng hàng năm ớc tính 40 triệu chiếc với dải công suất từ 0,1 đến khoảng 70.000 kW cho các lĩnh vực kinh tế

nh giao thông vận tải, xây dựng, nông nghiệp, lâm nghiệp, năng lợng và gia dụng

3 Phân loại động cơ đốt trong

Có nhiều cách phân loại Động cơ đốt trong khác nhau

a Theo nhiên liệu: động cơ xăng, động cơ diesel và động cơ gas- còn gọi là động cơchạy khí

b Theo cách thức đốt nhiên liệu trong buồng cháy: đốt cỡng bức bằng tia lửa điện nh trong động cơ xăng, động cơ khí và đốt do tự cháy nh ở động cơ diesel.

c Theo số xy lanh: động cơ 1 xy lanh và động cơ nhiều xy lanh

d Theo cách bố trí dãy xy lanh đối với động cơ nhiều xy lanh: động cơ một hàng xylanh, chữ V (hình 0-2,a) hay động cơ hình sao (hình 0- 2,b) Động cơ hình sao thờng dùngcho máy bay

ĐỘNG CƠ NHIỆT

Mỏy hơi nước Tuabin khớ Động cơ đốt trong Động cơ phản lực Cỏc động cơ nhiệt khỏc

diesel

a) b)

Hình 0-2: a) động cơ chữ Vvà b) động cơ hình sao

e Theo loại chuyển động của piston: động cơ piston chuyển động tịnh tiến và động cơpiston quay hay còn gọi là động cơ rô to nh động cơ Wankel

f Theo điều kiện nạp: động cơ tăng áp và động cơ không tăng áp

g Theo số hành trình piston trong một chu trình: động cơ hai kỳ và động cơ bốn kỳ

h Theo phơng pháp làm mát: động cơ làm mát bằng nớc và động cơ làm mát bằng gió

i Theo tốc độ của piston: động cơ tốc độ thấp, tốc độ trung bình và động cơ cao tốc

4 Ưu nhợc điểm của động cơ đốt trong

Khi so sánh với các động cơ nhiệt khác, động cơ đốt trong có những u điểm nổi bật

điều kiện làm việc di động

 Khởi động, vận hành, chăm sóc dễ dàng

Tuy nhiên động cơ đốt trong có những nhợc điểm cơ bản là:

 Không phát ra mô men lớn tại tốc độ vòng quay nhỏ nên không khởi động đợckhi có tải vì vậy cần có hệ thống khởi động riêng

 Khả năng quá tải kém

 Công suất cực đại không cao Một trong những động cơ lớn nhất thế giới hiệnnay là động cơ của hãng MAN- B&W có công suất 68.520 kW (số liệu 1997)trong khi công suất của tuốc bin hơi bình thờng có thể đạt vài chục vạn kW

 Nhiên liệu đắt và cạn dần trong thiên nhiên và có những yêu cầu khắt khe nhhàm lợng tạp chất thấp, tính chống kích nổ cao, tính tự cháy cao giá thànhngày càng cao

 Ô nhiễm môi trờng vì khí xả và ồn

Tuy nhiên trong vài ba thập niên tới, động cơ đốt trong vẫn là loại động cơ không thểthay thế

Phần I nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong

Chơng I: Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong

Để có thể hiểu đợc nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong, trớc hết phải tìm hiểubản chất của các nhiên liệu đợc sử dụng và hỗn hợp giữa nhiên liệu với không khí tạothành hỗn hợp cháy

1.1 Nhiên liệu lỏng dùng trong động cơ đốt trong

Khi tinh luyện dầu mỏ hoặc tổng hợp nhiên liệu thể khí hay nhiên liệu rắn ta thu đợcxăng, dầu hoả, dầu diesel và dầu máy Trong số đó xăng và dầu diesel đợc sử dụng làmnhiên liệu cho động cơ đốt trong

1.1.1 Dầu diesel

Dầu diesel là loại nhiên liệu nặng với  = 0,8- 0,95 g/cm3 có tính tự cháy cao (khôngcần nguồn lửa bên ngoài)

1.1.1.1 Thành phần chính

Dầu diesel có tính tự cháy cao vì trong thành phần của nó có nhiều cácbuahydrô no

CnH2n+2 ở dạng mạch thẳng nên dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao trong phản ứng ôxy hoá toảnhiệt, ví dụ xêtan C16H34 (hình 1-1)

Hình 1-1: Xêtan C 16 H 34 , một loại cácbuahydrô no mạch thẳng

1.1.1.2 Đánh giá tính tự cháy của dầu diesel

Xêtan C16H34 là một cacbuahydrô no, dạng mạch thẳng có tính tự cháy cao Còn mêtylnaphtalin C11H10 là một cacbuahydrô có dạng mạch vòng (hình 1-2), có kết cấu phân

-tử rất bền vững, do đó tính tự cháy rất kém Để đánh giá tính tự cháy của dầu diesel, ng ời

ta sử dụng một thông số gọi là số xêtan (Xe) Để xác định số Xe của một loại dầu diesel,trên một động cơ thử nghiệm đặc biệt có thể thay đổi đợc tỷ số nén, theo một qui trìnhnhất định, ngời ta thử nghiệm động cơ với dầu diesel này Sau đó, ngời ta tiến hành thửnghiệm tơng tự với nhiên liệu là một hỗn hợp gồm xêtan (C16H34) và - mêtylnaphtalin gọi

là nhiên liệu so sánh Thành phần xêtan trong hỗn hợp so sánh đợc điều chỉnh cho đến khitính tự cháy của hai loại nhiên liệu thử nghiệm là tơng đơng Khi đó, thành phần xêtantính theo % trong hỗn hợp so sánh đợc coi là số Xe cần xác định của dầu diesel

Sở dĩ xăng có tính tự cháy kém vì thành phần của xăng gồm nhiều cacbuahydrô no

nh-ng có dạnh-ng mạch nhánh và cácbuahydrô thơm nhân benzen là các kết cấu rất bền vữnh-ng, ví

dụ nh mêtylbenzen C6H5CH3 và isôốctan C8H18(hình 1-3)

a) b)

Hình 1-3: a): mêtylbenzen C 6 H 5 CH 3 và b): isôốcctan C 8 H 18

Trong động cơ xăng có một hiện tợng cháy không bình thờng gắn với bản chất của

động cơ này là hiện tợng cháy kích nổ Sau khi bu gi bật tia lửa điện, màng lửa sẽ lan tràn

từ bu gi ra khắp buồng cháy để đốt hỗn hợp Đó là quá trình cháy bình thờng Nếu ở mộtvùng nào đó có những nguyên nhân làm tăng nhiệt độ cục bộ và do đó đủ điều kiện để

diễn ra tại đây quá trình tự bốc cháy khi màng lửa từ bu gi cha lan tràn tới Đó là quá

trình cháy không bình thờng gọi là cháy kích nổ Khi đó, tốc độ cháy rất lớn, mặt khác có

sự chèn ép dữ dội giữa hai vùng cháy (vùng cháy do tia lửa điện và vùng cháy kích nổ)nên trong xy lanh có tiếng gõ rất đanh, tải trọng động lớn, nhiệt độ và áp suất tại đây rấtcao khiến nhiên liệu bị phân huỷ nên khí thải có khói đen Động cơ rất nóng và rung, côngsuất giảm và không thể tiếp tục làm việc

Rõ ràng, xăng có cấu trúc phân tử càng bền vững thì tính tự cháy càng kém do đó khóxảy ra kích nổ và ngợc lại

1.1.2.2 Đánh giá tính chống kích nổ của xăng

Isôốctan C8H18 (hình 1-3) có kết cấu phân tử dạng mạch vòng nên rất bền vững, có tínhchống kích nổ cao Để đánh giá tính chống kích nổ của xăng, ngời ta dùng một thông sốgọi là số ốctan (O) Một hỗn hợp của isôốctan C8H18 với héptan C7H16 - một cacbuahydrô

no mạch thẳng- đợc dùng làm nhiên liệu so sánh với cách thức tơng tự nh xác định chỉ sốxêtan của dầu diesel đã trình bày ở trên Với isôốctan C8H18, O = 100; còn đối với héptan

C7H16, O = 0 Loại xăng nào có trị số ốctan càng cao thì tính chống kích nổ càng lớn.Xăng ô tô thông thờng có số ốctan trong khoảng 80-100

Giữa trị số xêtan (Xe) và số ốctan (O) có mối quan hệ rất rõ nét Nhiên liệu có số xêtan

Xe càng cao thì có số ốctan O càng thấp và ngợc lại Mối quan hệ này có thể đợc diễn tảbằng công thức thực nghiệm sau:

1.1.3 Hệ số d lợng không khí 

Trong động cơ, hỗn hợp giữa nhiên liệu và không khí đợc nén và đốt trong xy lanh nêntoả nhiệt và sinh công Mức độ đậm nhạt của hỗn hợp là một thông số làm việc quan trọngcủa động cơ Mức độ đậm nhạ của hỗn hợp đợc đánh giá thông qua một thông số đặc biệtgọi là hệ số d lợng không khí  đợc xác định nh sau

Coi rằng, thành phần chủ yếu của nhiên liệu chỉ gồm có các nguyên tố hydrô, ôxy vàcácbon Nếu gọi thành phần khối lợng của các nguyên tố trên lần lợt là H, O và C, ta có:

Phơng trình (1-5) và (1-6) viết cho C kg cácbon và H kg hydrô có dạng

Trong 1 kg nhiên liệu có sẵn O kg ôxy Vì vậy lợng ôxy cần thiết trong không khí Oct

để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu là

Oct = 8

Ta đã biết, thành phần khối lợng của ôxy trong không khí là 0,23 còn thành phần thểtích là 0,21 Từ đó có thể xác định lợng không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 kgnhiên liệu L0

4 5

6

ĐCT

ĐCD

Hình 1-4: Để minh họa một số khái niệm cơ bản

1 trục khuỷu, 2: thanh truyền, 3: piston, 4: xu páp thải, 5: vòi phun (động cơ diesel) hoặc bu gi (động cơ xăng), 6: xu páp nạp,ĐCT điểm chết trên, ĐCD điểm chết d- ới.

1.2.1 Điểm chết

Vị trí mà tại đó piston đổi chiều chuyển động gọi là điểm chết Có hai điểm chết là

điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dới (ĐCD), hình 1-4 Khi piston ở điểm chết trên và

điểm chết dới, buồng công tác có thể tích nhỏ nhất Vmin và lớn nhất Vmax Khoảng cáchgiữa 2 điểm chết đợc gọi là hành trình piston S

max min

(1-14)

1.3 Nguyên lí làm việc của động cơ 4 kỳ không tăng áp

a)

b)

Hình 1-5: Đồ thị công a) và đồ thị pha b) của động cơ 4 kỳ không tăng áp

1.3.1 Quá trình nạp

Quá trình nạp đợc tiến hành chủ yếu do piston khi chuyển động

từ điểm chết trên đến điểm chết dới tạo ra sự chênh áp, do đó môichất đợc hút vào xy lanh Khí nạp mới của động cơ xăng nói chung

(trừ loại động cơ phun xăng trực tiếp vào buồng cháy) là hỗn hợp

của xăng và không khí còn của động cơ diesel và động cơ phun

xăng trực tiếp là không khí.

Trong thực tế, quá trình nạp bắt đầu tại điểm d1 (hình 1-5,a)

t-ơng ứng với vị trí góc 1 (hình 1-5,b) trớc điểm chết trên, xu pápnạp mở Góc 1 đợc gọi là góc mở sớm xu páp nạp Sau khi đến

điểm chết trên, piston bắt đầu đi xuống, áp suất trong xy lanh giảmdần Từ thời điểm áp suất trong xy lanh bằng áp suất trên đờng ốngnạp pk trở đi cho đến khi piston tới điểm chết dới tại điểm a, khí nạpmới đợc hút vào trong xy lanh Mở sớm xu páp nạp nhằm mục đích,khi khí nạp mới thực sự đi vào xy lanh thì diện tích thông qua của

xu páp nạp đã khá lớn nên sức cản khí động nhỏ, do đó nạp đợcnhiều khí nạp mới

Nhằm tận dụng quán tính của dòng khí nạp để nạp thêm, xu pápnạp cha đóng tại điểm chết dới mà đóng sau đó một góc 2 (hình 1-5,b) tại điểm d2 (hình1-5,a) Góc 2 gọi là góc đóng muộn xu páp nạp Từ a đến d2 gọi làthời kỳ nạp thêm

Về mặt nguyên tắc, ngời ta tận dụng các biện pháp có thể để nạp đợc nhiều khí nạpmới, do đó đốt đợc nhiều nhiên liệu, nhằm tận dụng khả năng động cơ phát ra công suất

cao Để đánh giá chất lợng quá trình nạp, ngời ta đa ra thông số hệ số nạp v là tỷ số giữakhối lợng môi chất thực tế nạp vào xy lanh Gtt và lợng môi chất theo lý thuyết Glt chứatrong thể tích công tác Vh ở nhiệt độ và áp suất trên đờng ống nạp tk và pk

v

tt lt

tt

k h

GG

GV

Do tổn thất khí động qua xu páp nạp, do khí sót trong xy lanh giãn nở ở đầu quá trìnhnạp và do môi chất mới đợc sấy nóng bởi khí sót và các chi tiết trong xy lanh nên thôngthờng v < 1

1.3.2 Quá trình nén

Piston tiếp tục chuyển động hớng tới điểm chết trên Từ điểm d2, là điểm xu páp nạp

đóng trở đi, môi chất thực sự đợc nén Trong quá trình nén, nhiệt độ và áp suất trong xylanh tăng dần Giữa môi chất và các chi tiết trong xy lanh diễn ra quá trình trao đổi nhiệtrất phức tạp Để đơn giản trong tính toán, ngời ta coi quá trình nén là một quá trình đabiến với chỉ số nén đa biến trung bình n1 Trên cơ sở đó có thể tính nhiệt độ và áp suấtcuối quá trình nén đa biến tại điểm c (không cháy) theo các công thức sau:

để hòa trộn với không khí tạo thành hỗn hợp; còn đối với động cơ xăng

bu gi bật tia lửa điện để đốt hỗn hợp Góc s đợc gọi là góc phun sớm (động cơ diesel) hay góc đánh lửa sớm (động cơ xăng).

1.3.3 Quá trình cháy và giãn nở

a Quá trình cháy

Bản chất của quá trình cháy là quá trình ôxy hoá nhiên liệu, phản ứng này toả nhiệt.Sau một khoảng thời gian ngắn chuẩn bị i -tính từ lúc bắt đầu phun nhiên liệu (động cơdiesel) hay bắt đầu bật tia lửa điện (động cơ xăng)- qúa trình cháy thực sự xảy ra Giai

đoạn này gọi

Hình 1-6: Diễn biến quá trình cháy động cơ diesel a) và động cơ xăng b)

là thời kỳ cháy trễ còn i gọi là thời gian cháy trễ (s) Trong động cơ diesel, do hỗn hợphình thành bên trong xy lanh nên đầu tiên phần hỗn hợp đợc chuẩn bị và tích tụ trong giai

đoạn cháy trễ sẽ cháy rất nhanh, tốc độ tăng áp suất 



p rất lớn, tạo ra tiếng gõ rất đanh

đặc thù cho động cơ diesel Tiếp sau đó là giai đoạn vừa chuẩn bị chuẩn bị hỗn hợp vừacháy nên cháy từ từ hơn Vì thế, chu trình làm việc của động cơ diesel giống với chu trìnhcấp nhiệt hỗn hợp, hình 1-6,a

Còn ở hầu hết động cơ xăng, do hỗn hợp đợc chuẩn bị bên ngoài xy lanh, do đó hỗnhợp khi vào trong xy lanh có thành phần tơng đối đồng đều nên phần lớn hỗn hợp cháy rấtnhanh sau thời gian cháy trễ Vì thế chu trình làm việc của động cơ xăng gần với chu trìnhcấp nhiệt đẳng áp, hình 1-6,b

Tuy nhiên ở cả hai loại động cơ, sau khi cháy phần lớn hỗn hợp, quá trình cháy còntiếp tục với tốc độ cháy nhỏ kéo dài trên đờng giãn nở do cháy nốt phần hỗn hợp cha cháygọi là cháy rớt Cháy rớt chỉ làm nóng các chi tiết, hiệu quả sử dụng nhiệt thấp nên ng ời ta

cố gắng nghiên cứu và áp dụng các biện pháp để hạn chế cháy rớt nh chọn góc phối khí vàgóc phun sớm hay đánh lửa sớm thích hợp, tận dụng xoáy lốc của môi chất trong quá trìnhnạp để hoàn thiện quá trình nạp và tăng tốc độ cháy…

b Quá trình giãn nở

Tiếp theo quá trình cháy là quá trình giãn nở sinh công (từ điểm z đến điểm b', hình 5,a) Thực ra đầu quá trình giãn nở còn có quá trình cấp nhiệt do cháy rớt Mặt khác còn

1-có hiện tợng trao đổi nhiệt giữa môi chất với thành vách các chi tiết Vì vậy quá trình giãn

nở là một quá trình nhiệt động phức tạp Tơng tự nh quá trình nén, ngời ta coi gần đúng

đây là một quá trình đa biến với chỉ số giãn nở đa biến n2

1.3.4 Quá trình thải

Cuối quá trình giãn nở, xu páp thải đợc mở tại điểm b, (hình 1-5,a)tơng ứng với góc 3 (hình 1-5,b) trớc điểm chết dới nhằm lợi dụng độ

chênh áp trong xy lanh với đờng thải thải tự do một lợng đáng kể khí đã

cháy Góc 3 đợc gọi là góc mở sớm xu páp thải Tiếp theo, do piston đi

lên, khí cháy đợc thải cỡng bức qua xu páp thải ra ngoài Do tổn thất khí

động khi qua xu páp thải, áp suất trong xy lanh trong quá trình thải caohơn so với áp suất trên đờng thải pt Nếu áp suất pt càng cao, công bơmtrong quá trình thải càng lớn, mặt khác khí sót càng nhiều, làm bẩn môichất công tác của chu trình tiếp theo Vì vậy ngời ta cố gắng tìm cácbiện pháp giảm pt nh chọn góc mở sớm xu páp thải và thiết kế đờng thảihợp lý Nhằm lợi dụng quán tính của dòng khí thải để thải sạch thêm,cuối quá trình thải, xu páp thải không đóng tại điểm chết trên mà đóngtại điểm r' (hình 1-5,a) sau điểm chết trên tơng ứng với góc 4 (hình 1-5,b) tức là ở đầu quá trình nạp của chu trình tiếp theo

Nh vậy cuối quá trình thải và đầu quá trình nạp, cả hai xu páp nạp và thải đều mởtrong khoảng 1 + 4 - gọi là góc trùng điệp (hình 1-5,b) Do chênh áp nhỏ và tiết diện

thông qua của xu páp nạp còn rất nhỏ nên lợng khí thải lọt vào đờng nạp không đáng kể.Tóm lại, một chu trình làm việc của động cơ 4 kỳ tơng ứng với 4 hành trình của piston

gồm có các quá trình đã xét ở trên Để thải sạch và nạp đầy, phải lựa chọn các góc mở

sớm, đóng muộn của các xu páp - còn gọi là pha phối khí- hợp lý Pha phối khí cũng nh

góc phun sớm (động cơ diesel) hay đánh lửa sớm (động cơ xăng) tối u thờng đợc lựa chọnbằng thực nghiệm

1.4 Nguyên lí làm việc của động cơ 2 kỳ

Chu trình làm việc của động cơ 2 kỳ, động cơ diesel cũng nh động cơ xăng, đợc thựchiện sau 2 hành trình của piston Tuy nhiên chỉ có các quá trình nạp, nén, giãn nở và thải

có một số điểm khác biệt còn quá trình cháy vẫn giống nh ở động cơ 4 kỳ Do đó, dới đâychỉ trình bày tóm tắt diễn biến các quá trình trong động cơ 2 kỳ trên cơ sở một mô hình

đơn giản trình bày trên hình 1-7 mà không trình bày tỷ mỷ nh ở động cơ 4 kỳ

1.4.1 Diễn biến các quá trình

a Hành trình I

Piston đi chuyển từ điểm chết trên đến điểm chết dới, khí đã cháy và đang cháy trong

xy lanh giãn nở sinh công Khi piston mở cửa thải A, khí cháy có áp suất cao đợc thải tự

do ra đờng thải Từ khi piston mở cửa quét B cho đến khi đến điểm chết d ới, khí nạp mới

có áp suất cao nạp vào xy lanh đồng thời quét khí đã cháy ra cửa A.

Nh vậy trong hành trình I gồm các quá trình: Cháy giãn nở, thải tự do, quét khí và nạp

khí mới.

b Hành trình II

Piston di chuyển từ điểm chết dới đến điểm chết trên, quá trình quét nạp vẫn tiếp tục

cho đến khi piston đóng cửa quét B Từ đó cho đến khi piston 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 piston đóng cửa thải A cho tới khi nhiên liệu

phun vào xy lanh (động cơ diesel) hoặc bu gi (động cơ xăng) bật tia lửa điện Sau một thời

gian cháy trễ rất ngắn quá trình cháy sẽ xảy ra.

p

V

Hình 1-7: Nguyên lý làm việc của động cơ 2 kỳ

Nh vậy trong hành trình II gồm có: quét và nạp khí, lọt khí, nén và cháy

Hình 1-8: Các kiểu quét khí của động cơ 2 kỳ a) quét vòng, b) và c): quét thẳng

Theo cách tổ chức quét khí, ngời ta phân biệt các loại quét khác nhau Nếu quét khí

nh hình 1-7 và 1-8,a qua cửa thải gọi là quét vòng, còn nh hình 1-8,b quét qua xu páp thải

và qua piston đối đỉnh nh hình 1-8,c gọi là quét thẳng So với quét vòng, dòng khí quét khi

quét thẳng ít bị ngoặt nên chất lợng quá trình quét nạp tốt hơn

Đặc điểm của động cơ 2 kỳ là khí nạp mới phải có áp suất pk đủ lớn để quét khí đãcháy ra đờng thải có áp suất pt Thông thờng ngời ta thiết kế máy nén khí riêng lắp trên

động cơ hoặc tận dụng không gian bên dới piston - hộp trục khuỷu để nén khí nạp nh ởmột vài động cơ xăng cỡ nhỏ, hình 1-9

Hình 1-9: Nén khí quét bằng hộp các te- trục khuỷu

1.4.2 So sánh động cơ 2 kỳ và 4 kỳ

Nếu cùng đờng kính xy lanh D, hành trình piston S và số vòng quay n thì về lý thuyếtcông suất của động cơ 2 kỳ gấp hai lần công suất của động cơ 4 kỳ Trong thực tế do cótổn thất hành trình cho các quá trình nạp thải và tốn công nén và quét khí nên chỉ gấp 1,6

đến 1,8 lần

Mô men của động cơ 2 kỳ đều hơn

Cơ cấu phối khí của động cơ 2 kỳ đơn giản hơn nhng chất lợng nạp thải không tốt bằngcủa động cơ 4 kỳ

1.5 Nguyên làm việc của động cơ tăng áp

Một phơng pháp rất hiệu quả để tăng công suất động cơ là tăng lợng môi chất nạp bằngcách nén môi chất trớc khi nạp vào xy lanh Phơng pháp này gọi là tăng áp động cơ

1.5.1 Tăng áp cơ khí

Máy nén 5 đợc truyền động từ trục khuỷu của động cơ 1, hình 1-10,a Phơng pháp này

có u điểm là khi số vòng quay của động cơ thay đổi đột ngột, máy nén vẫn cung cấp cho

động cơ lợng môi chất cần thiết Tuy nhiên chính vì đợc dẫn động từ động cơ nên lợng khínén chỉ phụ thuộc vào tốc độ vòng quay của động cơ mà thôi dẫn tới nh ợc điểm là máynén không cung cấp lợng khí nén phù hợp cho động cơ khi tải trọng thay đổi

1.5.2 Tăng áp kiểu tuốcbin- máy nén

Theo phơng pháp này (hình 1-10,b) khí thải của động cơ đợc dẫn vào tuốcbin 8 sinhcông làm quay máy nén 3 Tốc độ vòng quay của tuốcbin-máy nén có thể tới 100.000v/ph Phơng pháp này tận dụng thêm đợc năng lợng của khí thải Nhng khi tốc độ vòngquay động cơ thay đổi đột ngột, do quán tính của tuốcbin-máy nén nên máy nén khôngcung cấp đợc lợng không khí cần thiết Mặt khác, ở chế độ tốc độ vòng quay và tải nhỏ,công của tuốcbin không đủ cho máy nén làm việc bình thờng.

1.5.3 Tăng áp hỗn hợp

Hình 1-11 miêu tả sơ đồ động cơ tăng áp hỗn hợp Máy nén đợc dẫn động khôngnhững từ động cơ mà còn từ tuốcbin Phơng pháp này khắc phục đợc nhợc điểm cơ bảncủa haiphơng pháp đã trình bày ở trên Động cơ đợc cung cấp khí nén phù hợp hơn tại cácchế độ tải trọng và tốc độ vòng quay khác nhau, kể cả khi tốc độ thay đổi đột ngột

Trong thực tế còn có một số phơng pháp khác nh tăng áp bằng cách tận dụng sóng ápsuất trên đờng nạp, tăng áp dùng khí thải giãn nở để nén khí nạp (COMPREX) nh ng dokhuôn khổ có hạn nên không đợc trình bày ở đây

7

86

5

4

32

1

Hình 1-11: Tăng áp hỗn hợp 1: động cơ, 2: đờng thải, 3: máy nén sơ cấp, 4: tuốcbin, 5: bộ truyền cơ khí, 6: bình làm mát trung gian, 7: đờng nạp, 8: máy nén thứ cấp.

1.6 Nguyên lí làm việc của động cơ nhiều xy lanh

Trong hầu hết các động cơ nhiều xy lanh, kích thớc các chi tiết của các xy lanh nh nhau

nên quá trình làm việc của các xy lanh cũng giống nhau nhng khác nhau về pha, phụ thuộc vào bố trí làm việc tơng quan giữa các xy lanh của ngời thiết kế Việc bố trí này

theo những nguyên tắc sau:

 Bảo đảm cho mô men của động cơ trong một chu trình đồng đều nhất Theo nguyêntắc này ở động cơ một hàng xy lanh ngời ta bố trí sao cho góc giữa hai xy lanh làmviệc liên tiếp (tính theo góc quay trục khuỷu) đều nh nhau

xy lanh 1 2 3 4

xy lanh

(o) 0-180 180-360 360-540 540-720

1 Hút Nén Nổ Xả

2 Nén Nổ Xả Hút

3 Xả Hút Nén Nổ

4 Nổ Xả Hút Nén

Hình 1-12: Trục khuỷu và sơ đồ làm việc của động cơ 4 kỳ 4 xy lanh

 Không để tải trọng tập trung quá nhiều vào một hoặc một số cổ nào đó để trục cósức bền đồng đều

 Trục khuỷu phải có dạng động lực học hợp lý

Từ đó sẽ quyết định hầu hết mọi bố trí và kết cấu của toàn động cơ

Sau đây ta sẽ áp dụng những nguyên tắc này để xét một ví dụ cụ thể nhng khá phổ biến

là động cơ 4 kỳ, 4 xy lanh, hình 1-12

Với dạng trục khuỷu nh hình vẽ có thể bố trí góc công tác giữa hai xy lanh liên tiếpnhau là K=720o /4 = 180o tức là cứ đều đặn 180o có một lần sinh công, do đó mô mencủa động cơ phát ra đều Mặt khác, trục khuỷu có dạng đối xứng với cổ trục giữa nên tínhcân bằng động lực học tốt Với dạng trục khuỷu trên có thể có 2 thứ tự làm việc là 1-3-4 -2hoặc 1-2-4-3 Với một thứ tự làm việc cụ thể, ví dụ 1-3-4-2, ta có sơ đồ làm việc của độngcơ trong hai vòng quay của trục khuỷu thể hiện qua bảng trên hình 1-12 Từ đó, ta có thểxác định góc quay của các xy lanh thứ hai, ba, t theo góc quay của xy lanh thứ nhất haynói cách khác là tơng quan về pha giữa các xy lanh:

Vị trí a: AC: nạp

AB: nénBC: thải

Vị trí b: AC: cháy

AB: thảiBC: nạp

Vị trí c: AC: thải

AB: nạpBC: nén

Hình 1-13: Nguyên lý làm việc của động cơ piston quay 1: rôto (piston quay), 2: trục cơ, 3: vành răng của rôto, 4: bánh răng trục cơ, 5: xy lanh, 6: buồng nạp, 7: cửa nạp, 8: bu gi (động cơ xăng) hoặc vòi phun (động cơ diesel), 9: cửa thải.

Hình 1-13 trình bày nguyên lý làm việc của một loại động cơ piston quay có rôto 1(piston quay) dạng 3 cung Vành răng trong 3 của rôto luôn ăn khớp với bánh răng trục cơ

4 Tâm của rôto lệch với tâm của trục cơ một khoảng là e Khi rôto chuyển động songphẳng, ba đỉnh A,B,C của rôto luôn tiếp xúc với bề mặt xy lanh 5 có profil đặc biệt 2cung, do đó tạo ra ba không gian thay đổi là AC, AB và BC

Trên hình 1-13,a, theo chiều quay của rôto, không gian AC tăng dần thể tích và thôngvới cửa nạp 7 nên tại đây sẽ xảy ra quá trình nạp; không gian AB giảm dần thể tích vớiquá trình nén còn ở không gian BC diễn ra quá trình thải Khi đỉnh C đi qua cửa nạp 7,không gian AC đạt thể tích cực đại và quá trình nạp tại đây kết thúc Tiếp theo, thể tíchkhông gian AC giảm dần thực hiện quá trình nén môi chất

Tại vị trí nh thể hiện trên hình 1-13,b, bu gi (động cơ xăng) bật tia lửa điện để đốt hỗnhợp hay vòi phun (động cơ diesel) phun nhiên liệu để hinh thành hỗn hợp Sau một thờigian cháy trễ, quá trình cháy sẽ thực sự diễn ra áp suất trong không gian này tăng vọt tácdụng lên bề mặt AC của rôto tạo ra mô men quay do rôto 1 lệch tâm với trục cơ 2 Qua bộtruyền bánh răng 3-4, mô men đợc truyền ra trục cơ ra ngoài để kéo máy công tác Đồngthời tại vị trí trên hình 1-13,b ở không gian BC diễn ra quá trình nạp còn khí cháy đ ợc thải

ra ra ngoài từ không gian AB

Tơng tự nh vậy (hình 1-13,c), ở không gian AC quá trình giãn nở kết thúc và chuẩn bịbắt đầu quá trình thải Còn tại không gian AB, quá trình nạp bắt đầu trong khi không gian

BC đang thực hiện quá trình nén

Nh vậy, khi rôto thực hiện một chu trình tơng ứng với 3 vòng quay của trục cơ 2, cả bakhông gian đều thực hiện một chu trình làm việc gồm có các quá trình nạp, nén cháy-giãn

nở và thải tơng đơng với động cơ piston thông thờng 4 kỳ ba xy lanh

So với động cơ piston thông thờng, động cơ piston quay có những u điểm sau:

 Piston quay nên cân bằng dễ dàng bằng đối trọng Vì thế, tốc độ vòng quay độngcơ có thể rất cao

 Chất lợng nạp-thải cao vì dùng cửa nạp -thải (không phải dùng xu páp) nên tiếtdiện lu thông lớn

 Động cơ rất gọn và có công suất cao

Khuyết điểm chủ yếu của động cơ Wankel là các chi tiết bao kín dạng thanh ở các

đỉnh của rôto và bề mặt xy lanh mòn rất nhanh vì vận tốc trợt lớn và khó bôi trơn Do đó,tuổi thọ của động cơ không cao

1.8 Những thông số kinh tế - kỹ thuật cơ bản của động cơ

b áp suất tổn thất cơ giới trung bình p m

Là công tổn thất cơ khí tính cho một đơn vị thể tích công tác của xy lanh

V m m h

Tơng tự nh (1-19), ta có

trong đó Qct là nhiệt lợng của lợng nhiên liệu gct cung cấp cho động cơ trong 1 chu trình.

Qct = gct.Qnlvới Qnl là nhiệt trị của nhiên liệu (J/kg)

e i

L L

p p

N N

 , từ các phơng trình (1-27) và (1-28) rút ra:

e = im (1-29)Tuỳ theo loại động cơ e thay đổi từ 15 đến 46%.

1.8.5 Suất tiêu hao nhiên liệu

Gọi Gnl là lợng tiêu thụ nhiên liệu đo đợc trong một đơn vị thời gian, suất tiêu hao

nhiên liệu là lợng nhiên liệu tiêu thụ tính cho một đơn vị công suất động cơ trong một đơn

vị thời gian.

a Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g i

N i nl i

b Suất tiêu hao nhiên liệu có ích g e

N e nl e

Từ (1-29), (1-30) và (1-31) ta có thể rút ra

ge gi m

Memax Nhà sản xuất cũng có thể cho đờng đặc tính Ne, Me và ge theo tốc độ vòng quay khicơ cấu điều khiển ở vị trí cung cấp nhiên liệu nhiều nhất gọi là đặc tính ngoài của động cơ,hình 1-14 Các đờng đặc tính này thờng đợc xây dựng tại phòng thí nghiệm

PHẦN 2 CÁC CƠ CẤU VÀ HỆ THỐNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Cú thể coi động cơ đốt trong là một mỏy bao gồm cỏc cơ cấu và hệ thống chủ yếu theo

sơ đồ như sau:

Chơng II: Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền

Cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền là cơ cấu chính trong động cơ và bao gồm hầu hếtcác chi tiết chủ yếu nh piston, trục khuỷu, thanh truyền, vv Trớc khi khảo sát các chi tiết

cụ thể, ta tìm hiểu qui luật động học và động lực học của cơ cấu để làm cơ sở khảo sát lực

và mô men tác dụng lên cơ cấu sau này

2.1 Động học, động lực học của cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền

2.1.1 Qui luật vận động của cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền

Tìm qui luật chuyển động tịnh tiến của piston là nhiệm vụ chủ yếu khi nghiên cứu

động học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền Để tiện việc nghiên cứu, ta giả thiết trong quátrình làm việc, trục khuỷu quay với một tốc độ góc  không đổi

a Chuyển vị của piston

xĐCT

ĐCDl

RO

AB

CD





Hình 2-1: Sơ đồ của cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền

Hình 2-1 giới thiệu sơ đồ của cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền thông dụng Chuyển vị

x tính từ ĐCT của piston tuỳ thuộc vào vị trí góc quay  của trục khuỷu Từ hình vẽ ta có:

x = AB = AO - (BD + DO) = (l + R) - (Rcos + lcos)với l là chiều dài thanh truyền và R là bán kính quay của trục khuỷu

1

2 12 1

1 12

1 8

1 16

Bỏ các số hạng lũy thừa bậc 4 trở lên rồi thay trị số gần đúng của cos vào phơng trình(2-1), sau khi rút gọn ta có công thức gần đúng sau đây:

dx d

d dt

dx d





 Trong đó d

dt là tốc độ góc của trục khuỷu Do đó:

c Gia tốc của piston

Lấy đạo hàm công thức (2-3) đối với thời gian, ta có công thức tính gia tốc của piston:

j dvdt

dv d

d dt

dv d

và gọi khối lợng của nhóm piston - gồm có piston, chốt piston và xéc măng- là mnp ta có:

Trong đó J là mô men quán tính tơng đơng của các khối lợng quay quy về tâm trụckhuỷu và  là gia tốc góc của trục.

Lực ngang N gây ra mô men lật ngang động cơ Trong thực tế, mô men lật sẽ đ ợc cânbằng bởi mô men gìm máy của các liên kết giữ động cơ trên bệ ví dụ nh bu lông nền.Ngoài ra, các khối lợng lệch tâm khi quay còn sinh ra lực quán tính ly tâm Pk qui dẫn

4 xy lanh, 4 kỳ, hình 1-12, từ quan hệ pha (1-18):

Từ đây ta có thể tìm đợc mô men trung bình Mtb để chọn đợc máy công tác (có mômen cản Mc bằng Mtb) hoặc làm cơ sở cho các tính toán liên quan nh tính bánh đà, trụckhuỷu vv

2.2 Kết cấu các chi tiết chính

2.2.1 Piston

a Vai trò

Vai trò chủ yếu của piston là cùng với các chi tiết khác nh xy lanh, nắp xy lanh bao kíntạo thành buồng cháy đồng thời truyền lực của khí thể cho thanh truyền cũng nh nhận lực

từ thanh truyền để nén khí Ngoài ra ở một số động cơ 2 kỳ, piston còn có nhiệm vụ đóng

mở các cửa nạp và thải của cơ cấu phối khí

b Điều kiện làm việc

Điều kiện làm việc của piston rất nặng nhọc, cụ thể là:

 Tải trọng cơ học lớn và có chu kỳ:

áp suất lớn, có thể đến 120 kG/cm2

Lực quán tính lớn, đặc biệt là ở động cơ cao tốc

 Tải trọng nhiệt cao:

Do tiếp xúc trực tiếp với khí cháy có nhiệt độ tới 2200 - 2800 K nên nhiệt độ đỉnhpiston có thể đến 500- 800 K Do nhiệt độ cao, piston bị giảm sức bền, bó kẹt, nứt,làm giảm hệ số nạp, gây kích nổ

 Ma sát lớn và ăn mòn hoá học:

Do có lực ngang N nên giữa piston và xy lanh có ma sát lớn Điều kiện bôi trơn tại

đây rất khó khăn, thông thờng chỉ bằng vung té nên khó bảo đảm bôi trơn hoànhảo Mặt khác do thờng xuyên tiếp xúc trực tiếp với sản vật cháy có các chất ănmòn nh các hơi axit (H2S04, H2CO3 ) nên piston còn chịu ăn mòn hoá học

c Vật liệu chế tạo

Vật liệu chế tạo piston phải bảo đảm cho piston làm việc ổn định và lâu dài trongnhững điều kiện khắc nghiệt đã nêu trên Trong thực tế, một số vật liệu sau đ ợc dùng chếtạo piston.

Gang: Thờng dùng gang xám, gang dẻo, gang cầu Gang có sức bền nhiệt và bền cơ

học khá cao, hệ só giãn nở dài nhỏ nên khó bị bó kẹt, dễ chế tạo và rẻ Tuy nhiên gang rấtnặng nên lực quán tính của piston lớn đo đó gang chỉ dùng ở những động cơ tốc độ thấp.Mặt khác hệ số dẫn nhiệt của gang nhỏ nên nhiệt độ đỉnh piston cao

Thép: Thép có sức bền cao nên piston nhẹ Tuy nhiên hệ số dẫn nhiệt cũng nhỏ, đồng

thời khó đúc nên hiện nay ít đợc dùng Một số hãng đã sử dụng thép để chế tạo piston nhFord (Mỹ) hay Junker (Đức) trong chiến tranh thế giới thứ hai

Hợp kim nhôm: Hợp kim nhôm có nhiều u điểm nh nhẹ, hệ số dẫn nhiệt lớn, hệ số ma

sát với gang (xy lanh thờng bằng gang) nhỏ, dễ đúc , dễ gia công nên đợc dùng rất phổbiến để chế tạo piston Tuy nhiên hợp kim nhôm có hệ số giãn nở dài lớn nên khe hở giữapiston và xy lanh phải lớn để tránh bó kẹt Do đó, lọt khí nhiều từ buồng cháy xuống hộptrục khuỷu, động cơ khó khởi động và làm việc có tiếng gõ khi piston đổi chiều ở nhiệt độcao, sức bền của piston giảm khá nhiều Ví dụ khi nhiệt độ tăng từ 288 lên 623 K, sức bềncủa hợp kim nhôm giảm 65 đến 70% trong khi đó sức bền của gang chỉ giảm 18-20%.Mặt khác piston chịu mòn kém và đắt

Để thuận lợi phân tích kết cấu, có thể chia piston thành những phần nh đỉnh, đầu, thân

và chân piston, hình 2-3 Mỗi phần đều có nhiệm vụ riêng và những đặc điểm kết cấuriêng

 Đỉnh piston: Đỉnh piston có nhiệm vụ cùng với xy lanh, nắp xy lanh tạo thành

buồng cháy Về mặt kết cấu có các loại đỉnh piston sau:

Hình 2-4: Các dạng kết cấu đỉnh piston

Đỉnh bằng: (hình 2-4, a), diện tích chịu nhiệt nhỏ, kết cấu đơn giản Kết cấu này

đợc sử dụng trong động cơ diesel buồng cháy dự bị và buồng cháy xoáy lốc(xem chơng 5)

Đỉnh lồi: (hình 2-4, b) có sức bền lớn Đỉnh mỏng, nhẹ nhng diện tích chịu nhiệtlớn Loại đỉnh này thờng đợc dùng trong động cơ xăng 4 kỳ và 2 kỳ xu páp treo,buồng cháy chỏm cầu Trên hình 2-4, c thể hiện kết cấu đỉnh piston động cơ 2

kỳ quét vòng qua cửa thải Phía dốc đứng đợc lắp về phía cửa quét để hớngdòng khí quét lên sát nắp xy lanh rồi vòng xuống ra cửa thải, nhằm mục đíchquét sạch buồng cháy

Đỉnh lõm: hình 2-4, d, có thể tạo xoáy lốc nhẹ, tạo thuận lợi cho quá trình hìnhthành khí hỗn hợp và cháy Tuy nhiên sức bền kém và diện tích chịu nhiệt lớnhơn so với đỉnh bằng Loại đỉnh này đợc dùng trong cả động cơ diesel và độngcơ xăng

Đỉnh chứa buồng cháy: thờng gặp trong động cơ diesel (xem chơng 5) Đối với

động cơ diesel có buồng cháy trên đỉnh piston, kết cấu buồng cháy phải thoảmãn các yêu cầu sau đây tuỳ từng trờng hợp cụ thể:

Phải phù hợp với hình dạng buồng cháy và hờng của chùm tia phun nhiên liệu

để tổ chức tạo thành hỗn hợp tốt nhất (hình 2-4, e)

 Phải tận dụng đợc xoáy lốc của không khí trong quá trình nén, hình 2-4, f):buồng cháy denta, g): buồng cháy omega, h): buồng cháy MAN

Đầu piston: Đờng kính đầu piston thờng nhỏ hơn đờng kính thân vì thân là phần dẫn

hớng của piston Kết cấu đầu piston phải bảo đảm những yêu cầu sau:

Bao kín tốt cho buồng cháy nhằm ngăn khí cháy lọt xuống cácte dầu và dầu bôi

trơn từ cácte sục lên buồng cháy Thông thờng ngời ta dùng xéc măng để baokín Có hai loại xéc măng là xéc măng khí để bao kín buồng cháy và xéc măngdầu để ngăn dầu sục lên buồng cháy Số xéc măng tuỳ thuộc vào loại động cơ:

 Động cơ xăng: 3-4 xéc măng khí, 1-2 xéc măng dầu,

 Động cơ diesel cao tốc: 3-6 xéc măng khí, 1-3 xéc măng dầu,

 Động cơ diesel tốc độ thấp: 5-7 xéc măng khí, 1-4 xéc măng dầu

Xéc măng đợc lắp lỏng trong rãnh xéc măng nên có thể tự xoay trong rãnh

để xy lanh không bị mòn cục bộ

 Tản nhiệt tốt cho piston vì phần lớn nhiệt của piston truyền qua xéc măng cho

xy lanh đến môi chất làm mát Để tản nhiệt tốt thờng dùng các kết cấu sau:

 Phần chuyển tiếp giữa đỉnh và đầu có bán kính R lớn (hình 2-5,a)

Dùng gân tản nhiệt ở dới đỉnh piston (hình 2-5,b)

Dùng rãnh ngăn nhiệt để giảm lợng nhiệt truyền cho xéc măng thứ nhất (hình2-5,c)

Hình 2-5: Kết cấu đầu piston

Làm mát đỉnh piston (hình 2-5,d) nh ở động cơ ô tô IFA-W 50 Trong những độngcơ cỡ lớn, đỉnh piston rỗng đợc làm mát bằng dầu lu thông, hình 2-6

Sức bền cao: để tăng sức bền và độ cứng vững cho bệ chốt piston ng ời ta thiết kếcác gân trợ lực (hình 2-5, e)

 Thân piston: có nhiệm vụ dẫn hớng cho piston chuyển động trong xy lanh.

 Chiều cao h của thân (hình 2-6) đợc quyết định bởi điều kiện áp suất tiếp xúc dolực ngang N gây ra phải nhỏ hơn áp suất tiếp xúc cho phép:

 

p N

hD p

Hình 2-6: Đầu piston rỗng, làm mát bằng dầu lu thông

 Vị trí tâm chốt: đợc bố trí sao cho piston và xy lanh mòn đều, đồng thời giảm va

đập và gõ khi piston đổi chiều Một số động cơ có tâm chốt piston lệch với tâm

xy lanh một giá trị e về phía nào đó sao cho lực ngang Nmax giảm, hình 2-7, đểhai bên chịu lực N của piston và xy lanh mòn đều

h e

kim loại giãn nở

nên piston thờng bị bó kẹt theo phơng tâm chốt piston Đối với piston bằng hợpkim nhôm, hệ số giãn nở dài lớn nên càng dễ xảy ra bó kẹt

pkt N N

Hình 2-8: Các nguyên nhân gây bó kẹt piston

Để khắc phục hiện tợng này ngời ta sử dụng những biện pháp sau:

a

Hình 2-9: Các biện pháp chống bó kẹt piston

Chế tạo thân piston có dạng ô van, trục ngắn trùng với tâm chốt (hình 2-9,a)

Tiện vát 2 mặt ở bệ chốt chỉ để lại một cung  = 90-100 o để chịu lực mà không ảnh ởng nhiều đến phân bố lực (hình 2-9,b)

h-Xẻ rãnh giãn nở trên thân piston (hình (hình 2-9,c,d) Khi xẻ rãnh ngời ta không xẻhết để bảo đảm độ cứng vững cần thiết và thờng xẻ chéo để tránh cho xy lanh bị gờ xớc.Khi lắp phải chú ý bề mặt thân xẻ rãnh về phía N nhỏ Loại này có u điểm là khe hở lúcnguội nhỏ, động cơ không bị gõ, khởi động dễ dàng Nhng khi xẻ rãnh, độ cứng vững củapiston giảm nên phơng pháp này chỉ dùng ở động cơ xăng

Đúc hợp kim có độ giãn nở dài nhỏ (ví dụ hợp kim inva có hệ số giãn nở dài chỉ bằng1/10 của hợp kim nhôm) vào bệ chốt piston (hình 2-9, e) hạn chế giãn nở của thân theophơng vuông góc với tâm chốt

Hình 2-10: Kết cấu chân piston

Chân piston: hình 2-10 nêu 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 chân piston là chuẩn công nghệ khi gia công và là nơi điều chỉnh trọng lợng của piston sao cho

đồng đều giữa các xy lanh Độ sai lệch về trọng lợng đối với động cơ ô tô máy kéo không quá 0,2-0,6% còn ở động cơ tĩnh tại và tàu thuỷ giới hạn này là 1-1,5%

2.2.2 Chốt piston

a.Vai trò

Là chi tiết nối piston và thanh truyền, tuy kết cấu đơn giản nhng chốt piston có vai tròrất quan trọng để bảo đảm điều kiên làm việc bình thờng của động cơ

b.Điều kiện làm việc

Chốt piston chịu lực va đập, tuần hoàn, nhiệt độ cao và điều kiện bôi trơn khó khăn

c Vật liệu chế tạo

Chốt piston thờng đợc chế tạo từ thép ít cácbon và thép hợp kim có với các thành phầnhợp kim nh crôm, măng gan với thành phần cácbon thấp Để tăng độ cứng cho bề mặt -tăng sức bền mỏi- chốt đợc thấm than, xianua hoá, hoặc tôi cao tần và đợc mài bóng

d Kết cấu và các kiểu lắp ghép

Đa số các chốt piston có kết cấu đơn giản dạng trụ rỗng Các mối ghép giữa chốtpiston và piston, thanh truyền theo hệ trục để bảo đảm lắp ghép dễ dàng Trong thực tế có

ba kiểu lắp ghép sau:

 Cố định chốt trên thanh truyền (hình 2-11,a): Khi đó chốt piston phải đợc lắp tự do

trên bệ chốt Do không phải giải quyết vấn đề bôi trơn của mối ghép với thanhtruyền nên có thể thu hẹp bề rộng đầu thanh truyền và nh vậy tăng đợc chiều dàicủa bệ chốt, giảm đợc áp suất tiếp xúc- mòn- tại đây Tuy nhiên mặt phẳng chịu lựccủa chốt ít thay đổi nên tính chịu mỏi kém

 Cố định chốt piston trên bệ chốt (hình 2-11,b): Khi đó chốt phải đợc lắp tự do trên

thanh truyền Cũng giống nh phơng pháp trên, do không phải bôi trơn cho bệ chốtnên có thể rút ngắn chiều dài của bệ để tăng chiều rộng đầu nhỏ thanh truyền, giảm

đợc áp suất tiếp xúc- mòn- của mối ghép này Tuy nhiên, mặt phẳng chịu lực củachốt piston không thay đổi nên tính chịu mỏi của chốt kém

a) b)

víthãm

Hình 2-11: Lắp cố định chốt piston trên đầu nhỏ thanh truyền a) và trên bệ chốt b)

 Lắp tự do ở cả hai mối ghép (hình 2-12,a): Tại hai mối ghép đều không có kết cấu

hãm Khi lắp ráp, mối ghép giữa chốt và bạc đầu nhỏ thanh truyền là mối ghéplỏng, còn mối ghép với bệ chốt là mối ghép trung gian, có độ dôi (0,01-0,02 mm

đối với động cơ ô tô, máy kéo) Trong quá trình làm việc, do nhiệt độ cao, pistonbằng hợp kim nhôm giãn nở nhiều hơn chốt piston bằng thép, tạo ra khe hở ở mốighép này nên chốt piston có thể tự xoay Khi đó, mặt phẳng chịu lực thay đổi nênchốt piston mòn đều hơn và chịu mỏi tốt hơn Vì vậy, phơng pháp này đợc dùng rấtphổ biến hiện nay Tuy nhiên phải giải quyết vấn đề bôi bôi trơn ở cả hai mối ghép

và phải có kết cấu hạn chế di chuyển dọc trục của chốt, thông thờng dùng vònghãm hình 2-12,b hoặc nút kim loại mềm có mặt cầu nh trên hình 2-12,c Trớc khilắp chốt vào bệ chốt nên ngâm piston trong dầu hoặc trong nớc nóng để lắp ráp dễdàng

a)

b)

c)

Hình 2-12: Lắp tự do chốt piston

Do có các mối ghép động nên phải giải quyết bôi trơn cho các mối ghép này Sau đây

là một số phơng án đợc dùng trong thực tế Đối với bệ chốt thờng đợc khoan lỗ để dẫn dầu

do xéc măng dầu gạt về (hình 2-13,a) hoặc khoan lỗ hứng dầu (hình 2-13, b) Còn đối với thanh

truyền, để bôi trơn ngời ta có thể dùng lỗ hứng dầu (hình 2-13, c) hoặc bôi trơn cỡng bức kết hợp

với làm mát đỉnh piston bằng dầu có áp suất cao dẫn từ trục khuỷu dọc theo thân thanh truyền nh

đợc dùng ở động cơ ô tô IFA W 50 hoặc ZIL 130 (hình 2-13, d và e)

a) b) c) d) e)

Hình 2-13: Bôi trơn các mối ghép chốt piston

2.2.3 Xéc măng

a Vai trò

Nh đã trình bày ở phần đầu piston, xéc măng khí làm nhiệm vụ bao kín tránh lọt khí,

còn xéc măng dầu ngăn dầu bôi trơn từ hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy

b Điều kiện làm việc

Cũng nh piston, xéc măng chịu tải trọng cơ học lớn, nhất là xéc măng đầu tiên Cụ thể

là áp suất của khí cháy rất lớn nh đã trình bày ở phần điều kiện làm việc của piston, ngoài

ra xéc măng còn chịu lực quán tính lớn, có chu kỳ và va đập Đồng thời, phải kể đến nhiệt

độ cao, ma sát lớn, ăn mòn hoá học và ứng suất uốn ban đầu khi lắp ráp xéc măng vàorãnh ở piston

c Vật liệu chế tạo

Một yêu cầu rất quan trọng đối với vật liệu chế tạo xéc măng là phải bảo đảm độ đànhồi ở nhiệt độ cao và chịu mòn tốt Hầu hết xéc măng đợc chế tạo bằng gang xám pha hợpkim Vì xéc măng đầu tiên chịu điều kiện làm việc khắc nghiệt nhất nên ở một số động cơxéc măng khí đầu tiên đợc mạ crôm xốp có chiều dày 0,03-0,06 có thể tăng tuổi thọ củaxéc măng này lên 3 đến 3,5 lần

d Kết cấu

Xéc măng khí: Về đại thể, xéc măng có kết cấu đơn giản là một vòng hở miệng (hình

2-14,a) Kết cấu của xéc măng khí đợc đặc trng bằng kết cấu của tiết diện và miệng xéc

măng

 Loại tiết diện chữ nhật (hình 2-14,b) có kết cấu đơn giản nhất, dễ chế tạo, nhng áp

suất riêng không lớn, thời gian rà khít với xy lanh sau khi lắp ráp lâu Loại có mặtcôn  = 15-30' (hình 2-14,c) có áp suất tiếp xúc lớn và có thể rà khít nhanh chóngvới xy lanh, tuy nhiên chế tạo phiền phức và phải đánh dấu khi lắp sao cho khi xécmăng đi xuống sẽ có tác dụng nh một lỡi cạo để gạt dầu Để có đợc u điểm trên màtránh phải những điều phiền phức đã nêu, ngời ta đa ra kết cấu tiết diện không đốixứng (hình 2-14, d và e) Khi lắp vào piston và xy lanh, do có sức căng nên xécmăng bị vênh đi nên có tác dụng nh một mặt côn Khi lắp ráp phải chú ý: nếu vátphía

ngoài (hình 2-14, d) thì phải lắp hớng xuống phía

do đờng kính xy lanh không hoàn toàn đồng đều theo phơng dọc trục, do đó tránh

đợc hiện tợng bó kẹt xéc măng trong rãnh của nó

 Về kết cấu miệng, loại thẳng (hình 2-14, g) dễ chế tạo nhng dễ lọt khí và sục dầu

qua miệng Loại vát (hình 2- 13, h) có thể khắc phục phần nào những nhợc điểmtrên Loại bậc (hình 2-14, i) bao kín rất tốt, nhng khó chế tạo

Xéc măng dầu: Nếu chỉ có xéc măng khí thì có hiện tợng "bơm" dầu lên buồng cháy

qua khe hở mặt đầu xéc măng trong rãnh xéc măng khi piston đổi chiều chuyển động(hình 2-15) Dầu sẽ bị cháy, kết muội và tiêu hao nhiều dầu bôi trơn Xéc măng dầu làmnhiệm vụ ngăn dầu và ngoài ra dàn đều dầu lên mặt xy lanh

Hình 2-15: Hiện tợng bơm dầu của xéc măng khí

Thông thờng ở rãnh xéc măng dầu của piston có rãnh thoát dầu (hình 16,a) Hình

2-16, c trình bày kết cấu tiết diện xéc măng dầu có dạng lõi cạo gạt dầu thờng gặp trong thực tế Dầu gạt về sẽ theo các lỗ khoan trên piston rơi xuống các te dầu Hình 3- 15, d nêu kết cấu của xéc măng dầu tổ hợp gồm ba chi tiết riêng rẽ Do có lò xo hình sóng (hình3-15, e) ép hai vòng thép mỏng lên mặt đầu của rãnh nên xéc măng khi làm việc không cókhe hở mặt đầu Do đó, xéc măng dầu tổ hợp có tác dụng ngăn dầu và giảm va đập rất tốt

Là chi tiết nối giữa piston và trục khuỷu hoặc guốc trợt.

b Điều kiện làm việc

Thanh truyền chịu lực khí thể, lực quán tính của nhóm piston và lực quán tính của bảnthân thanh truyền Các lực trên đều là các lực tuần hoàn, va đập

c Vật liệu chế tạo

Đối với động cơ tĩnh tại và động cơ tàu thuỷ tốc độ thấp, ngời ta dùng thép ít cácbonhoặc thép cácbon trung bình nh 30, 35, 45 Đối với động cơ ô tô máy kéo và động cơ tàuthuỷ cao tốc, ngời ta dùng thép cácbon trung bình nh 40, 45 hoặc thép hợp kim crôm, niken Còn đối với động cơ cao tốc và cờng hoá nh động cơ ô tô du lịch, xe đua ngời tadùng thép hợp kim đặc biệt có nhiều thành phần hợp kim nh mănggan, niken, vônphram

d Kết cấu

Ngời ta chia kết cấu thanh truyền làm 3 phần là đầu nhỏ, đầu to và thân thanh truyền(hình 2-17)

đầu nhỏ

thân

đầu

to

Hình 2-17: Kết cấu thanh truyền

Sau đây ta xét kết cấu từng phần cụ thể

 Đầu nhỏ:

 Khi chốt piston lắp tự do với thanh truyền, trên đầu nhỏ thờng phải có bạc lót

(hình 2-18, a) Đối với động cơ ô tô máy kéo thờng là động cơ cao tốc, đầunhỏ thờng mỏng để giảm trọng lợng Trên đỉnh đầu nhỏ, ở một số động cơngời ta thờng làm vấu lồi trên đầu nhỏ để điều chỉnh trọng tâm thanh truyềncho đồng đều giữa các xy lanh (hình 2-18, b) Để bôi trơn bạc lót và chốtpiston có những phơng án nh dùng rãnh hứng dầu (hình 2-18, c) hoặc bôitrơn cỡng bức do dẫn dầu từ trục khuỷu dọc theo thân thanh truyền (hình 2-

18, a) ở động cơ 2 kỳ, do điều kiện bôi trơn khó khăn, ngời ta làm các rãnhchứa dầu ở bạc đầu nhỏ (hình 2-18,d) Cũng chính vì bôi trơn khó khăn nên ởmột số động cơ ngời ta dùng bi kim thay cho bạc lót (hình 2-18, e) Khi đólắp ráp thanh truyền với chốt piston và piston khá phức tạp Bạc lót đầu nhỏthanh truyền thờng bằng đồng thanh hoặc thép có tráng hợp kim chống mòn.Bạc lắp có độ dôi vào đầu nhỏ rồi đợc doa đạt kích thớc chính xác lắp ghép

Hình 2-18: Kết cấu đầu nhỏ thanh truyền

 Khi chốt piston cố định trên đầu nhỏ thanh truyền, đầu nhỏ phải có kết cấu

kẹp chặt nh đã thể hiện ở hình (hình 2-10)

 Thân thanh truyền

Hình 2-19: các loại tiết diện thân thanh truyềnTiết diện thân thanh truyền thờng thay đổi từ nhỏ đến lớn kể từ đầu nhỏ đến đầu to.Tiết diện tròn (hình 2-19, a) có dạng đơn giản, có thể tạo phôi bằng rèn tự do, thờng

đợc dùng trong động cơ tàu thuỷ Loại này không tận dụng vật liệu theo quan điểmsức bền đều Loại tiết diện chữ I (hình 2-19, b) có sức bền đều theo hai ph ơng, đợcdùng rất phổ biến, từ động cơ cỡ nhỏ đến động cơ cỡ lớn và đợc tạo phôi bằng ph-

ơng pháp rèn khuôn Loại tiết diện hình chữ nhật, ô van (hình 2-19, c và d) có u

điểm là dễ chế tạo, thờng đợc dùng ở động cơ mô tô, xuồng máy cỡ nhỏ

 Đầu to thanh truyền

Để lắp ráp với trục khuỷu một cách dễ dàng, đầu to thanh truyền thờng đợc cắt làmhai nửa và lắp ghép với nhau bằng bu lông hay vít cấy Do đó bạc lót cũng phải đ ợcchia làm hai nửa và phải đợc cố định trong lỗ đầu to thanh truyền Hình 2-20 thểhiện

vấu l ỡi gà định vị

bạc lót

Hình 2-20: Kết cấu cố định bạc lót trên đầu to thanh truyền

một dạng kết cấu này gọi là kiểu vấu lỡi gà Do đầu to thanh truyền chia làm hainửa, ở một số động cơ, ngời ta lắp một số đệm bằng thép mềm ở bề mặt phân cách.Khi

a) b) c)

A-A



Hình 2-21: Các dạng kết cấu đầu to thanh truyền

sửa chữa lớn, sẽ lấy bớt các tấm đệm này ra rồi tiến hành doa hoặc cạo rà lại bạc lót

Ph-ơng pháp này chỉ dùng với những động cơ có tính đơn chiếc Ngoài ra, khi lắp đệm ở bềmặt phân cách sẽ làm tăng tải trọng tác dụng lên chi tiết ghép nối hai nửa đầu to là bu lônghay gu giông thanh truyền, vì khi đó độ cứng của mối ghép sẽ giảm Đối với động cơ cỡlớn, để tiện khi chế tạo, ngời ta chế tạo đầu to thanh truyền riêng rồi lắp với thân thanhtruyền (hình 2-21,a) Bề mặt lắp ghép giữa thân và đầu to thanh truyền đợc lắp các tấm

đệm thép dày 5-20 mm để có thể điều chỉnh tỷ số nén cho đồng đều giữa các xy lanh.Trong một số trờng hợp, do kích thớc đầu to quá lớn nên đầu to thanh truyền đợc chia làmhai nửa bằng mặt phẳng chéo (hình 2-21,b) để đút lọt vào xy lanh khi lắp ráp Khi đó, mốighép sẽ phải có kết cấu chịu lực cắt thay cho bu lông thanh truyền nh vấu hoặc răng khía

Để giảm kích thớc đầu to thanh truyền, có loại kết cấu bản lề và hãm bằng chốt côn (hình2-21, c) Một số động cơ hai kỳ cỡ nhỏ có thanh truyền không chia làm hai nửa phải dùng

ổ bi đũa (hình 2-21, d) đợc lắp dần từng viên Một số động cơ nhiều xy lanh kiểu chữ Vhoặc hình sao, thanh truyền của hai hàng xy lanh khác nhau, thanh truyền phụ không lắptrực tiếp với trục khuỷu mà lắp với chốt phụ trên thanh truyền chính (hình 2-21, e) hoặchai thanh truyền lắp lồng với nhau trên trục khuỷu nên một thanh truyền có đầu to dạnghình nạng (hình 2-21, f) Một số động cơ có trục khuỷu trốn cổ, để bố trí khoảng cáchgiữa các xy lanh hợp lý, chiều dày đầu to không đối xứng qua mặt phẳng dọc của thânthanh truyền (hình 2-21, g)

2.2.5 Bu lông thanh truyền

a Vai trò

Là chi tiết ghép nối hai nửa đầu to thanh truyền, có thể ở dạng bu lông hay vít cấy (gugiông) tuy có kết cấu đơn giản nhng rất quan trọng nên phải đợc quan tâm khi thiết kế vàchế tạo Nếu bu lông thanh truyền do nguyên nhân nào đó bị đứt sẽ dẫn tới phá hỏng toàn

bộ động cơ

b Điều kiện làm việc

Bu lông thanh truyền khi làm việc chịu các lực nh lực xiết ban đầu, lực quán tính củanhóm piston- thanh truyền không kể nắp đầu to thanh truyền Những lực này đều là cáclực có chu kỳ cho nên bu lông thanh truyền phải có sức bền mỏi cao

Hình 2-22: Một dạng kết cấu bu lông a) và gu giông thanh truyền b)

c Vật liệu chế tạo

Bu lông thanh truyền thờng đợc chế tạo bằng thép hợp kim có các thành phần crôm,mănggan, niken Tốc độ động cơ càng lớn, vật liệu bu lông thanh truyền có hàm lợng kimloại quí càng nhiều

d Kết cấu

Nh đã trình bày ở trên, hai nửa đầu to thanh truyền có thể đợc ghép nối bằng bu lông(hình 2-22, a) hoặc gu giông (hình 2-22, b) Hình 2-22-a thể hiện kết cấu điển hình của bulông thanh truyền, thờng gặp ở động cơ ô tô máy kéo Theo kết cấu này, hai nửa đầu to đ-

ợc định vị bằng mặt trụ của bu lông Đầu bu lông có mặt vát A để chống xoay khi lắp ráp.Còn mặt vát B có tác dụng làm mềm phần đối diện với mặt vát A để phản lực hai phía trên

bề mặt tỳ đợc đồng đều sao cho tổng phản lực tác dụng đúng trên đờng tâm bu lông đểtránh cho bu lông bị uốn Bán kính góc lợn của các phần chuyển tiếp nằm trong khoảng0,2-1 mm nhằm giảm tập trung ứng suất Phần nối giữa thân và ren thờng làm thắt lại đểtăng độ dẻo của bu lông Đai ốc có kết cấu đặc biệt để ứng sất trên các ren đồng đều Ren

đợc tạo thành bằng những phơng pháp gia công không phoi nh lăn, cán Ngoài ra bu lôngthanh truyền còn đợc tôi, ram và xử lý bề mặt bằng phun cát, phun bi để đạt độ cứng HRC26-32 Khi lắp ghép phải dùng cờ lê lực kế để bảo đảm mô men xiết đúng qui định củanhà chế tạo

b Điều kiện làm việc

Trục khuỷu chịu lực T, Z do lực khí thể và lực quán tính của nhóm piston- thanhtruyền gây ra Ngoài ra, trục khuỷu còn chịu lực quán tính ly tâm của các khối l ợng quaylệch tâm của bản thân trục khuỷu và của thanh truyền Những lực này đều có tính chu kỳ,gây uốn, xoắn, dao động xoắn và dao động ngang trên các ổ đỡ

c Vật liệu và phơng pháp chế tạo