đồ án kết cấu của một số cơ cấu phối khí hiện đại và tính toán, kiểm nghiệm cơ cấu phân phối khí

Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 LỜI NÓI ĐẦU Động cơ đốt trong ngày nay đang phát triển rất mạnh mẽ cả về số lượng lẫn chất lượng, nó đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kinh tế, xã hội, khoa học công nghệ Là nguồn động lực cho các phương tiện vận tải như ôtô, máy kéo, tàu thuỷ, máy bay và các máy động cơ cở nhỏ v.v Đối với một sinh viên kỹ thuật, đồ án tốt nghiệp đóng một vai trò rất quan trọng. Đề tài tốt nghiệp em chọn là “Phân tích kết cấu của một số cơ cấu phối khí hiện đại và tính toán, kiểm nghiệm cơ cấu phân phối khí của động cơ 1ZZ-EF trên xeInova ” Tuy là một đề tài quen thuộc đối với sinh viên nhưng mục đích của đề tài rất thiết thực, nó không những giúp cho em có điều kiện để ôn lại các kiến thức đã học ở trường mà còn có thể hiểu biết kiến thức nhiều hơn khi tiếp xúc với thực tế. Cơ cấu phân phối khí của động cơ 1ZZ-EF có nhiều đặc điểm mới lạ. Do đó việc thiết kế động cơ này thật sự đã đem đến cho em nhiều điều hay và bổ ích. Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy Bùi Hà Trung các thầy cô trong khoa cùng với việc tìm hiểu, tham khảo các tài liệu liên quan và vận dụng các kiến thức được học, em đã cố gắng hoàn thành đề tài này. Mặc dù vậy, do kiến thức của em có hạn lại thiếu kinh nghiệm thực tế nên đồ án sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Em mong các thầy cô góp ý, chỉ bảo thêm để kiến thức của em ngày càng hoàn thiện hơn. Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 1 Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn " Bùi Hà Trung ” cùng các thầy cô trong khoa và các bạn đã nhiệt tình giúp đỡ để em có thể hoàn thành đồ án này. Sinh viên thực hiện Trịnh Văn Tùng Lê Văn Ước I. Mục đích và ý nghĩa của đề tài: Xuất hiện sớm tại Việt Nam với những chiếc Toyota Crown sang trọng dành cho các quan chức cao cấp vào những năm 90 của thế kỷ trước, hiện nay, sản phẩm của Toyota đã trở nên phổ biến, đa dạng và phong phú hơn rất nhiều. Giá cả, chất lượng và dịch vụ là những ưu tiên hàng đầu mà Toyota dành cho người tiêu dùng, chính vì thế, sẽ không là ngạc nhiên khi trên đường phố Việt Nam, cứ 10 ôtô thì có chừng 4 chiếc mang thương hiệu Toyota. Hiện là công ty lớn thứ hai trên thế giới sau tập đoàn ôtô khổng lồ General Motors, Mỹ, và là công ty đứng đầu thị trường ôtô Việt Nam, với các dòng xe tiêu biểu như Camry, Inova, Hiace, Corolla Altit, Vios… Sự thành công của TOYOTA là nhờ được trang bị các hệ thống hiện đại như hệ thống chống bó cứng phanh (ABS), hệ thống phân phối lực phanh điện tử (EBD), nội thất rộng rãi sang trọng và tinh tế. Đặc biệt là hệ thống điều khiển van biến thiên VVTI của TOYOTA cho phép tối ưu hóa thời gian, thời điểm, góc đóng mở của xupáp làm tăng công suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu, thân thiện với môi trường là xu thế mới là tiêu chí hàng đầu trong lĩnh vực nhiên. Đó là lý do em chọn đề tài “Phân tích kết cấu của một số cơ cấu phối khí hiện đại và tính toán, kiểm nghiệm cơ cấu phân phối khí của động cơ 1ZZ-EF trên xeInova’’. Trong đề tài này em tập trung vào vấn đề Khai thác kết cấu và tính toán nhiệt.Tính toán, thiết kế các chi tiết hệ thống phối khí.Thông qua việc làm đề tài này đã góp phần cho em củng cố lại các kiến thức đã được học và tập cho em cách nghiên cứu làm việc độc lập tạo điều kiện thuận lợi cho công việc sau này của người kỹ sư tương lai. Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 2 Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF I I. TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ 2.1 Nhiệm vụ , yêu cầu và điều kiện làm việc : a. Nhiệm vụ : Hệ thống phân phối khí có nhiệm vụ dùng để thực hiện quá trình thay đổi khí. Thải sạch khí thải ra khỏi xylanh và nạp đầy hỗn hợp hoặc khí mới vào xylanh để động cơ làm việc liên tục. b. Yêu cầu : - Đảm bảo thải sạch và nạp đầy - Các xupap phải đóng mở đúng thời điểm quy định - Độ mở phải đủ lớn để dòng khí dễ lưu thông - Các xupap phải kín khít, tránh để lọt khí trong quá trình nén và giản nở. - Hệ thống phải làm việc êm dịu, tin cậy, công chi phí thấp. c. Điều kiện làm việc : Trong quá trình làm việc, mặt nấm xupap chịu phụ tải động và phụ tải nhiệt rất lớn. Lực khí thể tác dụng trên diện tích mặt nấm xupap có thể lên đến 10.000 đến 20.000 N,trong động cơ cường hóa và tăng áp, lực này có thể tăng đến 30.000 N.Hơn nữa mặt nấm xupap luôn luôn va đập mạnh với đế xupap nên rất dễ biến dạng. Do xupap trực tiếp tiếp xúc với khí cháy nên xupap còn phải chịu nhiệt độ rất cao. Nhiệt độ của xupap thải trong động cơ xăng thường đạt 800-850 0 C, trong động cơ diezel là 500-600 0 C. Nhất là trong kỳ thải, nấm và thân xupap phải tiếp xúc với dòng khí thải có nhiệt độ rất cao, vào khoảng 700-900 0 C đối với động cơ diezel còn ở động cơ xăng thì cao hơn 1100-1200 0 C. Hơn nữa tốc độ dòng khí thải rất lớn, mới bắt đầu thải có thể đạt được 400-600 m/s nên khiến cho xupap nhất là xupap xả thường dễ bị quá nóng và bị dòng khí ăn mòn. Ngoài ra trong nhiên liệu có lưu huỳnh nên khi cháy tạo axit ăn mòn mặt nấm xupap. Vì vậy vật Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 3 Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF liệu dùng để chế tạo xupap phải có sức bền cơ học cao, chịu nhiệt tốt, chống được ăn mòn hóa học và hiện tượng xâm thực của dòng khí thải có nhiệt độ cao. Tăng tổn thất khí động. Do có nhiều hạn chế nên người ta chỉ sử dung phương án này cho các loại động cơ xăng có tỉ số nén thấp (<7,5) và số vòng quay không cao lắm. 2.2. Cơ cấu phân phối khí cổ điển: 2.2.1 . Cơ cấu phân phối khí dùng xupap treo : Cơ cấu phân phối khí có xupap treo ( Hình 1.1), các xupap được bố trí ở phía trên của nắp máy. Hệ thống nạp xả này được dùng hầu hết trong động cơ diesel và động cơ cơ xăng có tỷ số nén cao. Cơ cấu xupap treo gồm: trục cam, con đội, đũa đẩy, đòn gánh, lò xo, ống đẫn hướng và đế xupap. Đối với cơ cấu xupap treo có trục cam đặt ở phía trên nắp máy. Thì có thể không có đũa đẩy mà thay vào đó là xích hoặc bánh răng. Và có thể có hoặc không có đòn gánh. Khi trục cam quay, cam sẽ truyền chuyển động tịnh tiến cho con đội làm cho đũa đẩy chuyển động tịnh tiến do đó làm cho đòn gánh quay quanh trục đòn gánh. Đầu đòn gánh sẽ đè lên đuôi xupap làm cho xupap chuyển động tịnh tiến đi xuống mở cửa nạp và xả để thực hiện quá trình trao đổi khí. Vào lúc cam không đội con đội thì lò xo xupap sẽ giãn ra, làm cho xupap chuyển động đi lên đóng cửa nạp và xả lại để thực hiện quá trình nén, cháy, giãn nở và sinh công. Ở tư thế này, lúc máy còn nguội, giữa đầu đòn gánh và đuôi xupap sẽ có khe hở, gọi là “khe hở nhiệt”. Nhờ nó, khi máy làm việc, do nóng lên, xupap có giãn nở, buồng đốt cũng không bị, hở nhiệt. Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 4 Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF Hình 2.1. Cơ cấu phân phối khí xupap treo 1- Cò mổ. 2- Đũa đẩy. 3- Xupap. 4- Con đội. 5- Trục cam. 2.2.2. Cơ cấu phân phối khí xupáp treo dẫn động xupáp trực tiếp nhờ trục cam: * Nguyên lý làm việc: Khi động cơ làm việc thông qua cơ cấu truyền động đến trục cam 6 làm cho trục cam 6 quay. Khi bề mặt làm việc của cam 6 tác động vào con đội 5 làm cho nó chuyển động đi xuống, tác động vào đuôi xupáp 1 làm cho xupáp 1 chuyển động đi xuống dẫn đến mở thông cửa nạp với bên trong xi lanh nếu như ở xupáp nạp và bên trong xi lanh với bên ngoài cửa xả nếu như ở xupáp xả, lúc này lò xo 3 bị nén lại. Khi bề mặt Khi bề mặt làm việc của cam 6 không tác động vào con đội 5 lúc này nhờ lực đẩy lò xo 3 làm cho xupáp 1 chuyển động đi lên và đóng kín không cho thông giữa bên trong xilanh với bên ngoài cửa nạp hoặc cửa xả. - Ưu điểm: + Kết cấu gọn + Làm việc ít tiếng ồn, có độ chính xác cao. - Nhược điểm: + Cơ cấu dẫn động trục cam phức tạp, yêu cầu độ chính xác chế tạo và lắp ghép Hình 2.2- Kết cấu xupáp treo dẫn động trực tiếp; 1-Xupáp; 2-Ống dẫn hướng; 3-lò xo xupáp; 4-Đĩa lò xo; 5-Con đội; 6-Cam; 7-Móng hãm; 8-Đế xupáp 2.2.3. Cơ cấu phân phối khí có xupap đứng (xupap đặt): Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 5 8 7 1 2 3 6 4 5 Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF Cơ cấu phân phối khí có xupap đứng trình bầy trên hình 1.2, loại này thường dùng ở máy xăng. Hình 2.3 Cơ cấu phân phối khí có xupap đứng. 1 –đế xupap; 2 – xupap; 3- ống dẫn huớng xupap; 4 – lò xo xupap;5– móng hãm hình côn; 6 – đĩa chặn lò xo; 7 – bulông điều chỉnh;; 8– con đội; 9– trục cam. Ở đây không có đũa đẩy, đòn gánh, con đội 8 trực tiếp truyền động cho xupap 2. Thay đổi chiều cao tuyệt đối của con đội bằng bu lông 7 và ốc hãm sẽ điều chỉnh được khe hở nhiệt. Loại hệ thống nạp xả có xupap đứng này làm tăng diện tích buồng đốt nhưng ít chi tiết hơn so với loại xupap treo do đó độ tin cậy khi làm việc của loại này cao hơn hệ thống nạp xả có xupap treo. Và an toàn hơn loại xupap treo, vì giả sử móng hãm xupap có tuột ra, xupap cũng không rơi vào xylanh, không gây hư hỏng cho piston, xylanh đặc biệt khi khi động cơ đang làm việc. 2.2.4. Nhược điểm của cơ cấu phân phối khí cổ điển: Do tính chất của hòa khí và sau khi cháy mà 3 thông số thời điểm, độ nâng và thời gian mở của các xupáp ở tốc độ thấp và tốc độ cao rất khác nhau. Đối với động cơ cổ điển thì công suất và mô-men xoắn cực đại ở tốc độ nào của xe thì phụ thuộc vào điều kiện sử dụng của xe đó. Nếu đặt điều kiện hoạt động tối ưu của các xupáp ở tốc độ thấp Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 6 Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF thì quá trình đốt nhiên liệu lại không hiệu quả khi động cơ ở trạng thái tốc độ cao, khiến công suất chung của động cơ bị giới hạn. Ngược lại, nếu đặt điều kiện tối ưu ở số tốc độ cao thì động cơ lại hoạt động không tốt ở tốc độ thấp. Từ những hạn chế đó, thì cơ cấu phối khí hiện đại ra đời với ý tưởng là tìm cách tác động để thời điểm mở van, độ mở và khoảng thời gian mở biến thiên theo từng vòng tua khác nhau sao cho chúng mở đúng lúc, khoảng mở và thời gian mở đủ để lấy đầy hòa khí vào buồng đốt 2.3. Cơ cấu phân phối khí hiện đại: 2.3.1.Cơ cấu điều khiển pha phối khí (hệ thống điều khiển thời điểm phối khí VVT-I). Hình 2.4. Hệ thống VVT-I. Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 7 Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF Thông thường thời điểm phối khí được cố định nhưng hệ thống VVT-I dùng áp suất dầu thủy lực làm soay trục cam dẫn đến thay đổi thời điểm phối khí. Làm tăng công suất và giảm ô nhiễm. a). Hoạt động của hệ thống VVT-I - Khi ở nhiệt độ thấp, khi tốc độ thấp và tải nhẹ, khi tải nhẹ: Thời điểm phối khí của trục cam nạp được làm trễ lại và độ trùng lặp xuppáp được làm giảm đi để làm giảm lượng khí xả chạy ngược lại phía nạp. - Khi tải trung bình hay ở tốc độ thấp và trung bình ở tải nặng: Thời điểm phối khí được làm sớm lên và độ trùng lặp xuppáp tăng lên, thời điểm đóng xuppáp nạp cũng được làm sớm lên. - Khi chạy ở tốc độ cao và tải nặng: Thời điểm phối khí được làm sớm lên và độ trùng lặp tăng lên, thời điểm đóng xuppáp nạp cũng được đẩy sớm lên. b). Cấu tạo Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 8 Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF Hình 2. 5 Cấu tạo hệ thống VVT-I. - Bộ điều khiển VVT-I: Bao gồm một bộ vỏ được dẫn động bằng xích cam và các cánh gạt được cố định trên trục cam. Áp suất dầu được gửi từ phía làm sớm hay làm muộn làm quay các cánh gạt điều khiển trục cam thay đổi liên tục thời điểm phối khí của trục cam nạp. Khi động cơ ngừng hoạt động trục cam nạp sẽ chuyển động đến thời điểm muộn nhất để duy trì khả năng khởi động. Chốt hãm có tác dụng hãm các cơ cấu của hệ thống VVT-I làm giảm tiếng gõ khi hệ thống ngừng hoạt động. - Van điều khiển phối khí trục cam: Theo sự điều khiển của ECU điều khiển vị trí của van ống phân phối áp suất dầu cấp cho VVT-I. c) Hoạt động Hệ thống VVT-I gồm ba hoạt động chính:làm sớm thời điểm phối khí, làm muộn thời điểm phối khí, và giữ nguyên vị trí trục cam. Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 9 Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF - Làm sớm thời điểm phối khí: Khi van điều khiển dầu phối khí ở vị trí như trên hình vẽ áp suất dầu tác dụng lên khoang cánh gạt phía làm sớm thời điểm phối khí. Hình 2.6 Làm sớm thời điểm phối khí. - Làm muộn thời điểm phối khí: Khi van điều khiển dầu phối khí ở vị trí như trên hình vẽ áp suất dầu tác dụng lên khoang cánh gạt phía làm muộn thời điểm phối khí Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 10 . Phân tích kết cấu của một số cơ cấu phối khí hiện đại và tính toán, kiểm nghiệm cơ cấu phân phối khí của động cơ 1ZZ-EF trên xeInova’’. Trong đề tài này em tập trung vào vấn đề Khai thác kết. nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF 3.1.1. Sơ đồ bố trí xupáp và nguyên lý làm việc của cơ cấu phân phối khí: Cơ cấu phân phối khí của động cơ dùng xupáp treo vì cơ cấu phân phối khí này có nhiều. phương án này cho các loại động cơ xăng có tỉ số nén thấp (<7,5) và số vòng quay không cao lắm. 2.2. Cơ cấu phân phối khí cổ điển: 2.2.1 . Cơ cấu phân phối khí dùng xupap treo : Cơ cấu phân phối