Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZLPG) trên cơ sở động cơ 1 NZFE

Ngày nay, nền kinh tế nước ta đang phát triển, đời sống nhân dân ngày càng được nâng cao, nhu cầu sử dụng ô tô tăng không ngừng. Tuy nhiên vấn đề ô nhiễm môi trường và cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch đang đặt ra thách thức với các nhà khoa học để nghiên cứu tìm nhiên liệu nhiên liệu thay thế, đặc biệt là vấn đề ô nhiễm môi trường. Để giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường do động cơ đốt trong gây ra hiện nay có nhiều giải pháp công nghệ như: xe hybrid, ô tô điện, hay các cải tiến về động cơ trong thời gian gần đây như ECOBOST của FORD hay động cơ siêu nạp cũng đang dần được sử dụng trong động cơ đốt trong, các cải tiến đó nhằm mục đích đem lại lượng tiêu hao nhiên liệu tối ưu mà vẫn đạt được công suất, hiệu suất cao nhất. Ngoài các cải tiến về động cơ thì hiện nay trên thế giời còn có giải pháp sử dụng nhiên liệu mới để giảm thiểu ô nhiễm không khí đó là điện phân nước để tạo nhiên liệu hydro sử dụng trong động cơ hay sử dụng nguồn năng lượng mặt trời cho xe ô tô …vv. Tuy nhiên các nguồn năng lượng đó còn khá mới mẻ đối với nước ta. Hiện nay, nguồn nhiên liệu mới được quan tâm nhất ở nước ta là xăng pha cồn, khí Biogas, khí LPG. Vì nó là nhiên liệu sạch, được sử dụng rộng rãi trong đời sống sinh hoạt hằng ngày. Nếu ứng dụng nguồn nhiên liệu này để sử dụng cho động cơ đốt trong thì nó không đòi hỏi phải thay đổi toàn bộ kết cấu động cơ mà chỉ cần cải tạo lại hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ là có thể sử dụng được. Khi đó mức phát thải ô nhiễm của động cơ sẽ thấp hơn so với động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống mà vẫn đảm bảo được công suất cũng như hiệu suất. Đây là lý do mà chúng em chọn đề tài “Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZLPG) trên cơ sở động cơ 1NZFE” để phục vụ cho đồ án tốt nghiệp của mình. Vì LPG là nguồn nhiên liệu ít gây ô nhiễm môi trường, việc chuyển đổi từ động cơ sử dụng xăng sang sử dụng LPG cũng dễ dàng, không đòi hỏi máy móc công nghệ cao. Ngày 05 tháng 06 năm 2015 Sinh viên thực hiện Trương Công Quý Nguyễn Trung Kiên Nguyễn Văn Phúc Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZLPG) trên cơ sở động cơ 1 NZFE 2 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NHIÊN LIỆU LPG 1.1. KHÁI QUÁT VỀ LPG 1.1.1. Nguồn gốc của LPG LPG là chữ viết tắt của Liqueded Petroleum Gas có nghĩa là khí dầu mỏ hóa lỏng. LPG là sản phẩm thu được từ quá trình chưng cất dầu và tinh luyện khí thiên nhiên. LPG có từ hai nguồn: từ các quặng dầu và các mỏ khí được tách ra từ các thành phần khác trong quá trình chiết xuất từ dầu hoặc khí thiên nhiên 1.1.2. Tính chất lý hóa của LPG 1.1.2.1. Thành phần hóa học Thành phần chủ yếu là C3H8 (Propan) và C4H10 (Butan) được nén theo tỷ lệ phần trăm Propan trên phần trăm Butan. Ở nhiệt độ và áp suất khí quyển LPG ở dạng khí. Để thuận tiện về tồn chứa và vận chuyển LPG được hóa lỏng. Trong thực tế thành phần hỗn hợp các chất có trong khí hóa lỏng LPG không thống nhất. Tùy theo tiêu chuẩn của các nước, khu vực mà tỷ lệ thành phần trong LPG khác nhau, có tỷ lệ giữa Propan và Butan là 5050 hay 3070. Ở Châu Á, thành phần nhiên liệu khí hóa lỏng khá ổn định, chứa chủ yếu là Hydrocacbon C4, chẳng hạn như ở Hàn Quốc chỉ có Butan là khí hóa lỏng được sử dụng phổ biến. Ngược lại ở Mỹ thì chỉ có Hydrocacbon C3 được sử dụng. Đặc biệt trong thành phần khí hóa lỏng LPG chứa rất ít lưu huỳnh, thường chỉ chứa (40÷60) ppm, thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn, cho phép của cộng đồng Châu Âu (200ppm) một tiêu chuẩn khắt khe nhất về các chất phụ gia có trong nhiên liệu. Do đó, động cơ dung LPG phát ra rất ít các chất ô nhiễm gốc lưu huỳnh và hiệu quả của bộ lọc xúc tác được cải thiện. 1.1.2.2. Các tính chất của LPG Do thành phần chủ yếu của LPG là Propane và Butane nên tính chất của LPG là tình chất của Propane và Butane. LPG có đặc tính sau: Là một chất lỏng không màu (trong suốt). Là một chất lỏng không mùi, không vị, tuy nhiên trong thực tế trong quá trình chế biến được pha them Ethyt Mecaptan có mùi đặc trưng để dễ phát hiện rò rỉ. Nồng độ mùi phải đủ để nhận ra trước khi chúng ta tạo thành hỗn hợp nổ. Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZLPG) trên cơ sở động cơ 1 NZFE 3 Bản thân LPG không độc, không gây ô nhiễm môi trườngtuy nhiên không nên hít vào số lượng lớn, vì có thể gây ngạt thở hay say do thiếu Oxy. LPG nặng hơn không khí (1,5÷2) lần, nhẹ hơn nước 0,5 lần vì vậy nếu thoát ra ngoài hơi LPG sẽ lan truyền ở mặt đất và tập trung ở những phần thấp nhất, như rãnh, hố ga,… tuy nhiên nó sẽ tản mất ngay khi có gió. LPG được tồn chứa trong các loại bể chịu áp lực khác nhau, chúng tồn tại ở trạng thái bõa hòa. Gas lỏng ở dưới, hơi Gas ở phía trên theo quy định an toàn các thể loại bể chứa LPg chỉ được phép nhập (80÷85)% thể tích, phần còn lại đảm bảo cho sự giãn nở vì nhiệt của LPG. Đặc trưng lớn nhất của LPG khác với các loại khí kahcs là chúng tồn tại ở dạng bão hòa nên với thành phần không đổi (70% Butan – 30% Propan). Áp suất bão hòa trong bể chứa cũng như trong hệ thống không phụ thuộc vào nhiệt độ bên ngoài. Thông thường Gas Petrolimex co áp suất 4,5 kgcm2 ÷ 7,8 kgcm2 ở nhiệt độ (15 ÷ 30)0C. LPG có tỷ lệ giãn nở lớn: một đơn vị thể Gas lỏng hay hơi tạo ra 250 đơn vị thể tích hơn, LPG thuận tiện và kinh tế khi vận chuyển và tồn tại chứa ở dạng lỏng. LPG còn là nhiên liệu sạch: hàm lượng lưu huỳnh thấp (100 102 95 >100 98 100 100 85 92 99 80 83 1.1.3. Các ứng dụng của LPG LPG có hơn 1500 ứng dụng được chia thành 5 khu vực thị trường chính Dân dụng và thương nghiệp: Nấu ăn, nấu nước nóng, sưởi ấm, đèn gas,… trong các hộ dân, các cửa hàng ăn uống, khách sạn. Công nghiệp và nông nghiệp: Sấy thực phẩm, nung gốm sứ, ấp trứng, hàn cắt, thanh trùng dụng cụ y tế,… Ô tô: LPG được biết như loại nhiên liệu thay thế cho diesel và xăng. Vì thế, hiện nay đã có nhiều xe sử dụng nhiên liệu LPG như là nguồn nhiên liệu cung cấp năng lượng cho động cơ. Phát điện: Chạy máy phát điện, tuabin. Hóa dầu: Sản xuất ethetylen, propylene, butadien cho ngành nhựa và đặc biệt là sản xuất MTBE là chất là tăng chỉ số Octan. 1.1.4. Các ưu điểm của LPG LPG có các ưu điểm sau: Các thành phần hóa học của LPG tương đối ít, dó đó dễ dàng thực hiện việc điều chỉnh đúng tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu và không khí để quá trình cháy xảy ra hoàn toàn. Ưu điểm này đem lại đặc tính cháy sạch cho LPG. Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZLPG) trên cơ sở động cơ 1 NZFE 5 Cả hai Propane và Butane được hóa lỏng một cách dễ dàng và đựng trong các bình chứa áp suất. Đặc tính này làm cho nhiên liệu có tính cơ động cao, do đó có thể vận chuyển dễ dàng trong các bình hoặc các thùng chứa đến người sử dụng. LPG là chất thay thế cho xăng trong các động cơ xăng. Đặc tính cháy sạch của LPG trong một động cơ thích hợp đã làm giảm bớt khí thải, kéo dài tuổi thọ của dầu bôi trơn và buji đánh lửa. Các đặc tính cháy sạch và dễ vẫn chuyeenrcuar LPG cung cấp một chất thay thế cho các nhiên liệu bản xứ chẳng hạn như gỗ, than đá và các chất hữu cơ khác. Đây là giải pháp tốt để hạn chế nạn phá rừng và giảm các chất thải rắn nguy hiểm vào bầu khí quyển được gây ra bởi việc đốt cháy các nhiên liệu bản xứ. Thay thế cho chất nổ và chất làm lạnh CFC, giúp hạn chế nguyên nhân phá hủy tâng ozone của Trái Đất. 1.1.5. So sánh tính năng của LPG và xăng Bảng 13 Bảng so sánh đặc tính của LPG và các nhiên liệu khác. Đặc tính Đơn vị Xăng Diesel CNG LPG Màu Tỉ trọng Nhiệt trị thấp Hệ số AF Chỉ số Octan Kgm3 MJkg Có 750 42,9 14,4 85 ÷ 98 Có 860 42,6 14,5 Không 550 50 17,26 115 Không 555 46 15,5 110 ÷ 120 Theo bảng 1.3 ta thấy nhiệt trị của LPG cao hơn xăng và hơn hẳn với các nhiên liệu truyền thống khác. LPG có chỉ số Octan cao hơn nhưng lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy một đơn vị thể tích LPG cao hơn xăng. LPG dễ nổ hơn xăng nhưng tốc độ cháy chậm hơn xăng. Do vậy khi động cơ làm việc ở tốc độ cao động cơ sẽ bị mất công suất từ (5 ÷ 8)%. Điều này khắc phục bằng cách chỉnh lại thời điểm đánh lửa (3 ÷ 5)%, và vì LPG có giá rẻ hơn nên thực tế người ta có thể chấp nhận được. Nhưng nó có ưu việt là không gian tồn chứa nhỏ gọn, làm cho việc vận chuyển được thuận lợi và kinh tế hơn. Chính vì những ưu điểm của LPG so với xăng nên LPG đã và sẽ là loại khí đốt được ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Nếu LPG lỏng bị rò rỉ ra ngoài thì tại chỗ rò có nhiệt độ thấp và xuất hiện tuyết. Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZLPG) trên cơ sở động cơ 1 NZFE 6 Ngoài ra, hàm lượng Propane trong thành phần của LPG còn quyết định áp suất hơi trong bình chứa LPG. Nếu hàm lượng Propane càng lớn thì nhiệt trị cao, áp suất hơi càng cao, có thể sử dụng triệt để LPG trong bình chứa đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ môi trường thấp. Khi sử dụng một lưu lượng lớn thì bình sẽ hạ nhiệt độ nhanh, do đó nếu loại LPG đang sử dụng có thành phần Propane thấp thì khi đó áp suất hơi giảm nhanh, lưu lượng LPG cung cấp có thể không đáp ứng nhu cầu sử dụng. Hiện nay, các hãng sản suất ô tô như Citroen, Daewoo, Fiat, Ford, Hyundai, OpelVauxhall, Peugoet, Renault, Toyota và Volvo đã có những mẫu xe chạy hai nhiên liệu LPG và xăng. Ở đó xăng và LPG có thể dung thay phiên nhau. 1.2. ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG LPG 1.2.1. Momen, công suất động cơ Momen và công suất của động cơ sử dụng LPG thấp hơn khoảng 10% so với động cơ xăng cùng cỡ do các yếu tố sau: Nhiệt trị thể tích của hỗn hợp không khí xăng lớn hơn nhiệt trị thể tích của hỗn hợp không khí LPG khoảng 3% ÷ 5%. Đặc tính của hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG. Khi phun LPG dạng khí vào đường nạp qua họng Venturi làm giảm hệ số nạp và gây xáo trộn động lực học trên đường nạp do đó làm giảm momen và công suất động cơ. Khi phun LPG dạng lỏng sẽ bốc hơi trên đường nạp làm giảm nhiệt độ khí nạp và tăng khối lượng riêng của hỗn hợp, hệ số nạp được cải thiện hơn do đó khắc phục phần nào sự giảm moomen và công suất động cơ. 1.2.2. Suất tiêu hao nhiên liệu Suất tiêu hao nhiên liệu tính theo thể tích và theo khối lượng nhiên liệu của động cơ LPG so với động cơ xăng như sau: thực tế nếu so sánh năng lượng tiêu hao trên 100km hành trình (J100km) thì nhiên liệu LPG thấp hơn động cơ xăng khoảng vài phần trăm. Điều này là do sự lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG mới có khả năng phun nhiên liệu với độ chính xác cao. Mặt khác, nếu LPG giàu Propan (C3H8) với chỉ số Octan của nó rất cao do đó có thể tăng chỉ số nén động cơ nên suất tiêu hao nhiên liệu có thể giảm 1.2.3. Mức độ phát ô nhiễm Động cơ sử dụng LPG phát sinh ít ô nhiễm. Đây là đặc điểm đáng chú ý trong bối cảnh mà ảnh hưởng của giao thông vận tải đến môi trường sống ngày càng trở nên nghiêm trọng. Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZLPG) trên cơ sở động cơ 1 NZFE 7 Sự phát sinh ô nhiễm trong khí xả động cơ LPG giảm đi rất đáng kể so với động cơ xăng. Đồng thời nồng độ NOx giảm, đặc biệt khi động cơ hoạt động ở khu vực gần đầy tải, điều này là do nhiệt độ màng lửa nhiên liệu LPG thấp hơn màng lửa xăng. Còn mức độ phát sinh HC thấp chủ yếu do LPG bay hơi rất dễ dàng, lượng nhiên liệu bám trên thành buồng cháy thấp và lượng nhiên liệu hấp thụ bởi dầu bôi trơn thấp, HC trong khí xả động cơ LPG chủ yếu là Hydrocarbure nhẹ (C3 ÷ C4) ít độc hơn Hydrocarbure nặng trong khí xả động cơ xăng và diesel. Quá trình thử theo tiêu chuẩn không hoàn toàn thích hợp với điều kiện vận hành trong thực tế vì nhiệt độ môi trường có thể gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ. Tuy nhiên, đối với động cơ LPG ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường không đáng kể. Kết quả này làm tăng thêm ưu điểm của động cơ LPG về mặt phát sinh ô nhiễm, đặc biệt đối với dự luật về ô nhiễm môi trường khi động cơ làm việc ở nhiệt độ nạp thấp. Bảng 14 Mức độ phát thải ô nhiễm của ô tô chạy nhiên liệu LPG so với tiêu chuẩn ô nhiễm hiện nay Chất ô nhiễm Giới hạn cho phép Mức độ phát ô nhiễm Europe 2000 (gkm) California ULEV (gkm) Chu trình Europe (gkm) Chu trình FTP75 (gmile) CO 2,30 1,70 0,16 0,14 HC 0,20 0,04 0,031 0,032 NOx 0,15 0,20 0,02 0,065 1.2.4. Tính an toàn và tuổi thọ động cơ Vấn đề an toàn: Trong hệ thống nhiên liệu LPG có rất nhiều thiết bị an toàn cả về mặt cơ khí lẫn điện tử để đảm bảo an toàn trong khi động cơ hoạt động lẫn không hoạt động và khi xảy ra tai nạn. Các van an toàn tự động đóng, ngắt hệ thống nhiên liệu LPG và hệ thống này hoàn toàn bi khóa kín với môi trường không khí bên ngoài. Các cuộc thử nghiệm thực tế tại trung tâm nghiên cứu quốc tế đã cho thấy khi bị tai nạn lật xe, trong khi xăng có thể trào ra ngoài gây cháy thì LPG không thể trào ra Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZLPG) trên cơ sở động cơ 1 NZFE 8 ngoài được do có các van an toàn. Các sự cố rò rỉ trên đường ống nếu có cũng làm toàn bộ hệ thống LPG tự động khóa kín lại. Vấn đề tuổi thọ động cơ: Do LPG có đặc tính kỹ thuật như tính chống kích nổ cao, không có chì, sản phẩm cháy không có muội than, không có hiện tượng đóng màng nên động cơ làm việc với nhiên liệu LPG ít gây kích nổ hơn động cơ xăng. Do không có các hạt chì hoặc các hạt muội than đọng lại trong thành xylanh, cửa xupap nạp, thải nên không gây mài mòn xylanh, piston, secmăng, xupap, đế xupap. Một vấn đề quan trọng là động cơ xăng hay có hiện tượng hơi xăng hình thành trong buồng cháy, có tác hại rửa sạch các màng dầu bôi trơn và có khuynh hướng lọt xuống cacte làm dầu bôi trơn giảm khả năng bôi trơn, trong khi LPG không có hiện tượng này. Chính vì những lý do này nên LPG cho phép kéo dài tuổi thọ động cơ hơn nhiên liệu xăng khi sử dụng động cơ ở cùng một chế độ hoạt động. Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZLPG) trên cơ sở động cơ 1 NZFE 9 CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM TỔNG QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ 1NZFE 2.1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ 1NZFE Động cơ 1NZFE của TOYOTA sản xuất được lắp trên xe TOYOTA Vios là loại động cơ xăng thế hệ mới 4 xy lanh thẳng hàng dung tích xy lanh 1497 cm3. Trục cam kép DOHC 16 valve được dẫn động bằng xích với hệ thống valve nạp biến thiên thông minh VVTi. Động cơ 1 NZ FE có công suất 79 KW tương ứng với 106 Hp tại số vòng quay trục khuỷu là 6000 rpm với hệ thống đánh lửa điện tử và hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp điều khiển bằng ECU. Bảng 21 Thông số kỹ thuật động cơ 1NZFE. Tên động cơ 1NZFE (Toyota) Số xy lanh là cách bố trí 4 xy lanh thẳng hàng Cơ cấu phân phối khí 16 valve – DOHC, dẫn động bằng xích với VVTi Loại buồng cháy Pentroof type Hệ thống nhiên liệu Hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp SFI (Sequential Fuel Injection) Hệ thống đánh lửa Hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS (Direct Ignition System) Tổng dung tích xy lanh 1497 cm3 Đường kính x hành trình piston 75.0 x 84.7 mm Tỉ số nén 10.5 : 1 Công suất cực đại số vòng quay tại công suất cực đại 79 kW 6000 rpm Moment cực đại số vòng quay tại moment cực đại 139 Nm 4200 rpm Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZLPG) trên cơ sở động cơ 1 NZFE 10 Thứ tự làm việc 1 – 3 – 4 – 2 Chỉ số octan nghiên cứu 90 hoặc cao hơn Chỉ số octan làm việc 87 hoặc cao hơn Hình 21 Hình chiếu đứng mặt cắt ngang của động cơ 1NZFE Hình 22 Hình chiếu cạnh mặt cắt ngang của động cơ 1NZFE Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZLPG) trên cơ sở động cơ 1 NZFE 11 2.2. ĐẶC ĐIỂM CÁC HỆ THỐNG VÀ CÁC NHÓM CHI TIẾT CHÍNH CÓ TRÊN ĐỘNG CƠ 1NZFE 2.2.1. Nhóm Piston – Trục khuỷu – Thanh truyền. 2.2.1.1. Piston. Piston của động cơ 1NZ FE được chế tạo từ hợp kim nhôm với phần đỉnh piston có kết cấu đặc biệt giúp tăng hiệu suất đốt cháy nhiên liệu nhờ kết cấu có tên là taper squish shape. Hình 23 Piston và séc măng của động cơ 1NZFE 1 Taper squish shape Tại vị trí của taper squish shape, hỗn hợp nhiên liệu gồm xăng và không khí tại vị trí này sẽ được nén nhiều hơn các vùng khác, giúp định hướng được dòng khí trong buồng đốt, tăng sự quét khí, nhờ đó nhiên liệu được hòa trộn tốt hơn, giúp tăng hiệu suất của quá trình cháy. Chân piston có dạng vành đai để tăng độ cứng vững, người ta cũng cắt bỏ một phần kim loại ở phần chân này của piston để giảm trọng lượng, nhưng vẫn đảm bảo độ cứng vững cần thiết cho nó. Đầu piston có 3 rãnh séc măng trong đó có 2 rãnh séc măng khí và 1 rãnh séc măng dầu, rãnh séc măng dầu có các lỗ để đưa dầu bôi trơn xilanh về lại cacte. Séc măng áp lực thấp được sử dụng để giảm ma sát và nâng cao tính kinh tế của nhiên liệu, cũng như nâng cao chất lượng bôi trơn giữa cặp chi tiết piston – xy lanh của dầu bôi trơn. Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZLPG) trên cơ sở động cơ 1 NZFE 12 2.2.1.2. Trục khuỷu. Trục khuỷu của động cơ 1NZFE được chế tạo từ thép cacbon liền khối, các bề mặt gia công đạt độ bóng rất cao, đồng thời các cổ trục cũng như chốt khuỷu được giảm đường kính và chiều dài so với các động cơ trước đây nhưng vẫn đảm bảo độ bền cần thiết. Hình 24 Trục khuỷu động cơ 1NZFE. 1 Vành răng cho cảm biến vị trí trục khuỷu; 2 Lỗ khoan dầu bôi trơn; 3 Chốt khuỷu; 4 Cổ khuỷu số 5; 5 Đối trọng; 6 Cổ khuỷu số 4; 7 Cổ khuỷu số 3; 8Cổ khuỷu số 2; 9 Cổ khuỷu số 1. Trục khuỷu động cơ 1NZFE có 4 đối trọng, 5 cổ khuỷu, và giữa các cổ khuỷu có 1 chốt khuỷu; có tất cả 4 chốt khuỷu tương ứng với số xy lanh của động cơ, trong đó, các chốt khuỷu của ứng với xy lanh số 1 và số 4 được nghiên cứu chế tạo cực kỳ kỹ càng để có một khối lượng nhẹ và giảm đáng kể về hệ số ma sát. Bôi trơn các mặt ma sát cổ trục khuỷu – bạc lót giá đỡ cổ khuỷu và chốt khuỷu – bạc lót đầu to thanh truyền thông qua các đường khoan dầu lấy dầu từ đường dầu chính của động cơ. Phía đầu trục khuỷu có một vành răng cảm biến vị trí trục khuỷu, thông qua một cảm biến, ECM (Engine Control Module) xác định được vị trí của trục khuỷu trong chu trình công tác mà thực hiện các điều khiển hợp lý.

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, nền kinh tế nước ta đang phát triển, đời sống nhân dân ngày càng được nâng cao, nhu cầu sử dụng ô tô tăng không ngừng Tuy nhiên vấn đề ô nhiễm môi trường và cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch đang đặt ra thách thức với các nhà khoa học để nghiên cứu tìm nhiên liệu nhiên liệu thay thế, đặc biệt là vấn đề ô nhiễm môi trường

Để giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường do động cơ đốt trong gây ra hiện nay có nhiều giải pháp công nghệ như: xe hybrid, ô tô điện, hay các cải tiến về động

cơ trong thời gian gần đây như ECOBOST của FORD hay động cơ siêu nạp cũng đang dần được sử dụng trong động cơ đốt trong, các cải tiến đó nhằm mục đích đem lại lượng tiêu hao nhiên liệu tối ưu mà vẫn đạt được công suất, hiệu suất cao nhất Ngoài các cải tiến về động cơ thì hiện nay trên thế giời còn có giải pháp sử dụng nhiên liệu mới để giảm thiểu ô nhiễm không khí đó là điện phân nước để tạo nhiên liệu hydro sử dụng trong động cơ hay sử dụng nguồn năng lượng mặt trời cho xe ô tô

…vv

Tuy nhiên các nguồn năng lượng đó còn khá mới mẻ đối với nước ta Hiện nay, nguồn nhiên liệu mới được quan tâm nhất ở nước ta là xăng pha cồn, khí Biogas, khí LPG Vì nó là nhiên liệu sạch, được sử dụng rộng rãi trong đời sống sinh hoạt hằng ngày Nếu ứng dụng nguồn nhiên liệu này để sử dụng cho động cơ đốt trong thì nó không đòi hỏi phải thay đổi toàn bộ kết cấu động cơ mà chỉ cần cải tạo lại hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ là có thể sử dụng được Khi đó mức phát thải ô nhiễm của động cơ sẽ thấp hơn so với động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống mà vẫn đảm bảo được công suất cũng như hiệu suất

Đây là lý do mà chúng em chọn đề tài “Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu LPG (1NZ-LPG) trên cơ sở động cơ 1NZ-FE” để phục vụ cho đồ án tốt nghiệp của mình Vì LPG là nguồn nhiên liệu ít gây ô nhiễm môi trường, việc chuyển đổi từ động

cơ sử dụng xăng sang sử dụng LPG cũng dễ dàng, không đòi hỏi máy móc công nghệ cao

Ngày 05 tháng 06 năm 2015 Sinh viên thực hiện Trương Công Quý Nguyễn Trung Kiên Nguyễn Văn Phúc

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NHIÊN LIỆU LPG

1.1 KHÁI QUÁT VỀ LPG

1.1.1 Nguồn gốc của LPG

LPG là chữ viết tắt của Liqueded Petroleum Gas có nghĩa là khí dầu mỏ hóa lỏng

LPG là sản phẩm thu được từ quá trình chưng cất dầu và tinh luyện khí thiên nhiên LPG có từ hai nguồn: từ các quặng dầu và các mỏ khí được tách ra từ các thành phần khác trong quá trình chiết xuất từ dầu hoặc khí thiên nhiên

tỷ lệ thành phần trong LPG khác nhau, có tỷ lệ giữa Propan và Butan là 50/50 hay 30/70 Ở Châu Á, thành phần nhiên liệu khí hóa lỏng khá ổn định, chứa chủ yếu là Hydrocacbon C4, chẳng hạn như ở Hàn Quốc chỉ có Butan là khí hóa lỏng được sử dụng phổ biến Ngược lại ở Mỹ thì chỉ có Hydrocacbon C3 được sử dụng

Đặc biệt trong thành phần khí hóa lỏng LPG chứa rất ít lưu huỳnh, thường chỉ chứa (40÷60) ppm, thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn, cho phép của cộng đồng Châu

Âu (200ppm) một tiêu chuẩn khắt khe nhất về các chất phụ gia có trong nhiên liệu

Do đó, động cơ dung LPG phát ra rất ít các chất ô nhiễm gốc lưu huỳnh và hiệu quả của bộ lọc xúc tác được cải thiện

1.1.2.2 Các tính chất của LPG

Do thành phần chủ yếu của LPG là Propane và Butane nên tính chất của LPG là tình chất của Propane và Butane LPG có đặc tính sau:

- Là một chất lỏng không màu (trong suốt)

- Là một chất lỏng không mùi, không vị, tuy nhiên trong thực tế trong quá trình chế biến được pha them Ethyt Mecaptan có mùi đặc trưng để dễ phát hiện rò rỉ Nồng

độ mùi phải đủ để nhận ra trước khi chúng ta tạo thành hỗn hợp nổ

- Bản thân LPG không độc, không gây ô nhiễm môi trườngtuy nhiên không nên hít vào số lượng lớn, vì có thể gây ngạt thở hay say do thiếu Oxy

- LPG nặng hơn không khí (1,5÷2) lần, nhẹ hơn nước 0,5 lần vì vậy nếu thoát

ra ngoài hơi LPG sẽ lan truyền ở mặt đất và tập trung ở những phần thấp nhất, như rãnh, hố ga,… tuy nhiên nó sẽ tản mất ngay khi có gió

- LPG được tồn chứa trong các loại bể chịu áp lực khác nhau, chúng tồn tại ở trạng thái bõa hòa Gas lỏng ở dưới, hơi Gas ở phía trên theo quy định an toàn các thể loại bể chứa LPg chỉ được phép nhập (80÷85)% thể tích, phần còn lại đảm bảo cho

sự giãn nở vì nhiệt của LPG

- Đặc trưng lớn nhất của LPG khác với các loại khí kahcs là chúng tồn tại ở dạng bão hòa nên với thành phần không đổi (70% Butan – 30% Propan) Áp suất bão hòa trong bể chứa cũng như trong hệ thống không phụ thuộc vào nhiệt độ bên ngoài Thông thường Gas Petrolimex co áp suất 4,5 kg/cm2 ÷ 7,8 kg/cm2 ở nhiệt độ (15 ÷ 30)0C

- LPG có tỷ lệ giãn nở lớn: một đơn vị thể Gas lỏng hay hơi tạo ra 250 đơn vị thể tích hơn, LPG thuận tiện và kinh tế khi vận chuyển và tồn tại chứa ở dạng lỏng

- LPG còn là nhiên liệu sạch: hàm lượng lưu huỳnh thấp (<0,02%), khi cháy chỉ tạo ra CO2 và hơi nước, không tạo khói, đặc biệt không sinh ra SO2, H2S, CO

- LPG hóa lỏng có nhiệt trị riêng theo khối lượng cao, cao hơn xăng hay diesel (Bảng 1.1) Tuy nhiên do khối lượng riêng của nó thấp, nhiệt trị riêng thấp

Bảng 1-1 Bảng so sánh LPG và các loại nhiên cổ điển Thông số đặc

trưng

Eurosper Diesel Propane

thương mại

Butane thương mại

LPG

Khối lượng riêng

(kg/dm3)

0,725 ÷ 0,78

0,82 ÷ 0,86

0,58 Nhiệt trị thấp:

42,6 35,8

46,0 23,5

45,6 26,4

45,8 25,0

- Chỉ số Octan: Nhiên liệu khí hóa lỏng được đặc trưng bởi chỉ số octan nghiên cứu (RON) cao, có thể đạt tới 98 Bảng 1.2 giới thiệu RON của các loại khí khác nhau Chỉ số octan động cơ (MON) của LPG cũng cao hơn xăng

LPG có hơn 1500 ứng dụng được chia thành 5 khu vực thị trường chính

- Dân dụng và thương nghiệp: Nấu ăn, nấu nước nóng, sưởi ấm, đèn gas,… trong các hộ dân, các cửa hàng ăn uống, khách sạn

- Công nghiệp và nông nghiệp: Sấy thực phẩm, nung gốm sứ, ấp trứng, hàn cắt, thanh trùng dụng cụ y tế,…

- Ô tô: LPG được biết như loại nhiên liệu thay thế cho diesel và xăng Vì thế, hiện nay đã có nhiều xe sử dụng nhiên liệu LPG như là nguồn nhiên liệu cung cấp năng lượng cho động cơ

- Phát điện: Chạy máy phát điện, tuabin

- Hóa dầu: Sản xuất ethetylen, propylene, butadien cho ngành nhựa và đặc biệt

là sản xuất MTBE là chất là tăng chỉ số Octan

1.1.4 Các ưu điểm của LPG

LPG có các ưu điểm sau:

- Các thành phần hóa học của LPG tương đối ít, dó đó dễ dàng thực hiện việc điều chỉnh đúng tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu và không khí để quá trình cháy xảy ra hoàn toàn Ưu điểm này đem lại đặc tính cháy sạch cho LPG

- Cả hai Propane và Butane được hóa lỏng một cách dễ dàng và đựng trong các bình chứa áp suất Đặc tính này làm cho nhiên liệu có tính cơ động cao, do đó có thể vận chuyển dễ dàng trong các bình hoặc các thùng chứa đến người sử dụng

- LPG là chất thay thế cho xăng trong các động cơ xăng Đặc tính cháy sạch của LPG trong một động cơ thích hợp đã làm giảm bớt khí thải, kéo dài tuổi thọ của dầu bôi trơn và buji đánh lửa

- Các đặc tính cháy sạch và dễ vẫn chuyeenrcuar LPG cung cấp một chất thay thế cho các nhiên liệu bản xứ chẳng hạn như gỗ, than đá và các chất hữu cơ khác Đây là giải pháp tốt để hạn chế nạn phá rừng và giảm các chất thải rắn nguy hiểm vào bầu khí quyển được gây ra bởi việc đốt cháy các nhiên liệu bản xứ

- Thay thế cho chất nổ và chất làm lạnh CFC, giúp hạn chế nguyên nhân phá hủy tâng ozone của Trái Đất

1.1.5 So sánh tính năng của LPG và xăng

Bảng 1-3 Bảng so sánh đặc tính của LPG và các nhiên liệu khác

Có

750 42,9 14,4

85 ÷ 98

Có

860 42,6 14,5

Không

550

50 17,26

115

Không

555

46 15,5

110 ÷ 120 Theo bảng 1.3 ta thấy nhiệt trị của LPG cao hơn xăng và hơn hẳn với các nhiên liệu truyền thống khác LPG có chỉ số Octan cao hơn nhưng lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy một đơn vị thể tích LPG cao hơn xăng LPG dễ nổ hơn xăng nhưng tốc độ cháy chậm hơn xăng Do vậy khi động cơ làm việc ở tốc độ cao động

cơ sẽ bị mất công suất từ (5 ÷ 8)% Điều này khắc phục bằng cách chỉnh lại thời điểm đánh lửa (3 ÷ 5)%, và vì LPG có giá rẻ hơn nên thực tế người ta có thể chấp nhận được Nhưng nó có ưu việt là không gian tồn chứa nhỏ gọn, làm cho việc vận chuyển được thuận lợi và kinh tế hơn Chính vì những ưu điểm của LPG so với xăng nên LPG đã và sẽ là loại khí đốt được ứng dụng rộng rãi trên thế giới

Nếu LPG lỏng bị rò rỉ ra ngoài thì tại chỗ rò có nhiệt độ thấp và xuất hiện tuyết

Ngoài ra, hàm lượng Propane trong thành phần của LPG còn quyết định áp suất hơi trong bình chứa LPG Nếu hàm lượng Propane càng lớn thì nhiệt trị cao, áp suất hơi càng cao, có thể sử dụng triệt để LPG trong bình chứa đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ môi trường thấp Khi sử dụng một lưu lượng lớn thì bình sẽ hạ nhiệt độ nhanh, do đó nếu loại LPG đang sử dụng có thành phần Propane thấp thì khi đó áp suất hơi giảm nhanh, lưu lượng LPG cung cấp có thể không đáp ứng nhu cầu sử dụng Hiện nay, các hãng sản suất ô tô như Citroen, Daewoo, Fiat, Ford, Hyundai, Opel/Vauxhall, Peugoet, Renault, Toyota và Volvo đã có những mẫu xe chạy hai nhiên liệu LPG và xăng Ở đó xăng và LPG có thể dung thay phiên nhau

1.2 ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG LPG

1.2.1 Momen, công suất động cơ

Momen và công suất của động cơ sử dụng LPG thấp hơn khoảng 10% so với động cơ xăng cùng cỡ do các yếu tố sau:

Nhiệt trị thể tích của hỗn hợp không khí/ xăng lớn hơn nhiệt trị thể tích của hỗn hợp không khí/ LPG khoảng 3% ÷ 5%

Đặc tính của hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG Khi phun LPG dạng khí vào đường nạp qua họng Venturi làm giảm hệ số nạp và gây xáo trộn động lực học trên đường nạp do đó làm giảm momen và công suất động cơ Khi phun LPG dạng lỏng

sẽ bốc hơi trên đường nạp làm giảm nhiệt độ khí nạp và tăng khối lượng riêng của hỗn hợp, hệ số nạp được cải thiện hơn do đó khắc phục phần nào sự giảm moomen

và công suất động cơ

1.2.2 Suất tiêu hao nhiên liệu

Suất tiêu hao nhiên liệu tính theo thể tích và theo khối lượng nhiên liệu của động

cơ LPG so với động cơ xăng như sau: thực tế nếu so sánh năng lượng tiêu hao trên 100km hành trình (J/100km) thì nhiên liệu LPG thấp hơn động cơ xăng khoảng vài phần trăm Điều này là do sự lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG mới có khả năng phun nhiên liệu với độ chính xác cao Mặt khác, nếu LPG giàu Propan (C3H8) với chỉ số Octan của nó rất cao do đó có thể tăng chỉ số nén động cơ nên suất tiêu hao nhiên liệu có thể giảm

1.2.3 Mức độ phát ô nhiễm

Động cơ sử dụng LPG phát sinh ít ô nhiễm Đây là đặc điểm đáng chú ý trong bối cảnh mà ảnh hưởng của giao thông vận tải đến môi trường sống ngày càng trở nên nghiêm trọng

Sự phát sinh ô nhiễm trong khí xả động cơ LPG giảm đi rất đáng kể so với động

cơ xăng

Đồng thời nồng độ NOx giảm, đặc biệt khi động cơ hoạt động ở khu vực gần đầy tải, điều này là do nhiệt độ màng lửa nhiên liệu LPG thấp hơn màng lửa xăng Còn mức độ phát sinh HC thấp chủ yếu do LPG bay hơi rất dễ dàng, lượng nhiên liệu bám trên thành buồng cháy thấp và lượng nhiên liệu hấp thụ bởi dầu bôi trơn thấp, HC trong khí xả động cơ LPG chủ yếu là Hydrocarbure nhẹ (C3 ÷ C4) ít độc hơn Hydrocarbure nặng trong khí xả động cơ xăng và diesel

Quá trình thử theo tiêu chuẩn không hoàn toàn thích hợp với điều kiện vận hành trong thực tế vì nhiệt độ môi trường có thể gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ Tuy nhiên, đối với động cơ LPG ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường không đáng kể Kết quả này làm tăng thêm ưu điểm của động cơ LPG về mặt phát sinh ô nhiễm, đặc biệt đối với dự luật về ô nhiễm môi trường khi động cơ làm việc ở nhiệt độ nạp thấp

Bảng 1-4 Mức độ phát thải ô nhiễm của ô tô chạy nhiên liệu LPG so với tiêu

chuẩn ô nhiễm hiện nay Chất ô

Chu trình Europe (g/km)

Chu trình FTP75 (g/mile)

1.2.4 Tính an toàn và tuổi thọ động cơ

Vấn đề an toàn: Trong hệ thống nhiên liệu LPG có rất nhiều thiết bị an toàn cả

về mặt cơ khí lẫn điện tử để đảm bảo an toàn trong khi động cơ hoạt động lẫn không hoạt động và khi xảy ra tai nạn

Các van an toàn tự động đóng, ngắt hệ thống nhiên liệu LPG và hệ thống này hoàn toàn bi khóa kín với môi trường không khí bên ngoài

Các cuộc thử nghiệm thực tế tại trung tâm nghiên cứu quốc tế đã cho thấy khi bị tai nạn lật xe, trong khi xăng có thể trào ra ngoài gây cháy thì LPG không thể trào ra

ngoài được do có các van an toàn Các sự cố rò rỉ trên đường ống nếu có cũng làm toàn bộ hệ thống LPG tự động khóa kín lại

Vấn đề tuổi thọ động cơ: Do LPG có đặc tính kỹ thuật như tính chống kích nổ cao, không có chì, sản phẩm cháy không có muội than, không có hiện tượng đóng màng nên động cơ làm việc với nhiên liệu LPG ít gây kích nổ hơn động cơ xăng Do không có các hạt chì hoặc các hạt muội than đọng lại trong thành xylanh, cửa xupap nạp, thải nên không gây mài mòn xylanh, piston, sec-măng, xupap, đế xupap Một vấn đề quan trọng là động cơ xăng hay có hiện tượng hơi xăng hình thành trong buồng cháy, có tác hại rửa sạch các màng dầu bôi trơn và có khuynh hướng lọt xuống cacte làm dầu bôi trơn giảm khả năng bôi trơn, trong khi LPG không có hiện tượng này Chính vì những lý do này nên LPG cho phép kéo dài tuổi thọ động cơ hơn nhiên liệu xăng khi sử dụng động cơ ở cùng một chế độ hoạt động

CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM TỔNG QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ 1NZ-FE 2.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ 1NZ-FE

Động cơ 1NZ-FE của TOYOTA sản xuất được lắp trên xe TOYOTA Vios là loại động cơ xăng thế hệ mới 4 xy lanh thẳng hàng dung tích xy lanh 1497 cm3 Trục cam kép DOHC 16 valve được dẫn động bằng xích với hệ thống valve nạp biến thiên thông minh VVT-i

Động cơ 1 NZ - FE có công suất 79 [KW] tương ứng với 106 [Hp] tại số vòng quay trục khuỷu là 6000 [rpm] với hệ thống đánh lửa điện tử và hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp điều khiển bằng ECU

Bảng 2-1 Thông số kỹ thuật động cơ 1NZ-FE

Hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp SFI

Công suất cực đại @ số vòng

quay tại công suất cực đại 79 [kW] @ 6000 [rpm]

Moment cực đại @ số vòng

quay tại moment cực đại 139 [Nm] @ 4200 [rpm]

Thứ tự làm việc 1 – 3 – 4 – 2

Hình 2-1 Hình chiếu đứng mặt cắt ngang của động cơ 1NZ-FE

Hình 2-2 Hình chiếu cạnh mặt cắt ngang của động cơ 1NZ-FE

2.2 ĐẶC ĐIỂM CÁC HỆ THỐNG VÀ CÁC NHÓM CHI TIẾT CHÍNH CÓ TRÊN ĐỘNG CƠ 1NZ-FE

2.2.1 Nhóm Piston – Trục khuỷu – Thanh truyền

2.2.1.1 Piston

Piston của động cơ 1NZ- FE được chế tạo từ hợp kim nhôm với phần đỉnh piston

có kết cấu đặc biệt giúp tăng hiệu suất đốt cháy nhiên liệu nhờ kết cấu có tên là taper squish shape

Hình 2-3 Piston và séc măng của động cơ 1NZ-FE

1 - Taper squish shape Tại vị trí của taper squish shape, hỗn hợp nhiên liệu gồm xăng và không khí tại vị trí này sẽ được nén nhiều hơn các vùng khác, giúp định hướng được dòng khí trong buồng đốt, tăng sự quét khí, nhờ đó nhiên liệu được hòa trộn tốt hơn, giúp tăng hiệu suất của quá trình cháy

Chân piston có dạng vành đai để tăng độ cứng vững, người ta cũng cắt bỏ một phần kim loại ở phần chân này của piston để giảm trọng lượng, nhưng vẫn đảm bảo

độ cứng vững cần thiết cho nó

Đầu piston có 3 rãnh séc măng trong đó có 2 rãnh séc măng khí và 1 rãnh séc măng dầu, rãnh séc măng dầu có các lỗ để đưa dầu bôi trơn xilanh về lại cacte Séc măng áp lực thấp được sử dụng để giảm ma sát và nâng cao tính kinh tế của nhiên liệu, cũng như nâng cao chất lượng bôi trơn giữa cặp chi tiết piston – xy lanh của dầu bôi trơn

2.2.1.2 Trục khuỷu

Trục khuỷu của động cơ 1NZ-FE được chế tạo từ thép cacbon liền khối, các bề mặt gia công đạt độ bóng rất cao, đồng thời các cổ trục cũng như chốt khuỷu được giảm đường kính và chiều dài so với các động cơ trước đây nhưng vẫn đảm bảo độ bền cần thiết

Hình 2-4 Trục khuỷu động cơ 1NZ-FE

1- Vành răng cho cảm biến vị trí trục khuỷu; 2- Lỗ khoan dầu bôi trơn; 3- Chốt khuỷu; 4- Cổ khuỷu số 5; 5- Đối trọng; 6- Cổ khuỷu số 4;

7- Cổ khuỷu số 3; 8-Cổ khuỷu số 2; 9- Cổ khuỷu số 1

Trục khuỷu động cơ 1NZ-FE có 4 đối trọng, 5 cổ khuỷu, và giữa các cổ khuỷu có

1 chốt khuỷu; có tất cả 4 chốt khuỷu tương ứng với số xy lanh của động cơ, trong đó, các chốt khuỷu của ứng với xy lanh số 1 và số 4 được nghiên cứu chế tạo cực kỳ kỹ càng để có một khối lượng nhẹ và giảm đáng kể về hệ số ma sát Bôi trơn các mặt ma sát cổ trục khuỷu – bạc lót giá đỡ cổ khuỷu và chốt khuỷu – bạc lót đầu to thanh truyền thông qua các đường khoan dầu lấy dầu từ đường dầu chính của động cơ Phía đầu trục khuỷu có một vành răng cảm biến vị trí trục khuỷu, thông qua một cảm biến, ECM (Engine Control Module) xác định được vị trí của trục khuỷu trong chu trình công tác mà thực hiện các điều khiển hợp lý

2.2.1.3 Thanh truyền

Thanh truyền của động cơ 1NZ-FE có tiết diện ngang chữ I được chế tạo từ thép hợp kim có độ cứng cao giúp giảm đáng kể trọng lượng Đầu nhỏ thanh truyền có dạng hình trụ rỗng được lắp tự do với chốt piston, còn đầu to thanh truyền gồm hai phần, nửa phần trên nối liền với đầu nhỏ thông qua phần thân thanh truyền, nửa phần dưới là nắp đầu to thanh truyền, được lắp với nửa trên thông qua một cặp bu lông chịu kéo, có mặt gia công chính xác cao để định vị và mặt phẳng lắp ghép vuông góc với đường tâm thanh truyền

Hình 2-5 Thanh truyền động cơ 1NZ-FE 1- Bu lông lắp nắp đầu to thanh truyền 2.2.2 Nhóm thân máy – Nắp máy

Hình 2-6 Mặt cắt ngang thân máy 1- Đường tâm xy lanh; 2- Đường tâm trục khuỷu

Nhóm thân máy được chế tạo từ hợp kim nhôm để giảm đáng kể khối lượng, đường tâm trục khuỷu được đặt lệch tâm với đường tâm xy lanh một giá trị 12 mm

về phía đường nạp, như vậy tác dụng của lực ngang khi áp suất khí thể lớn nhất sẽ giảm giúp tăng tính kinh tế nhiên liệu cho động cơ

Hình 2-7 Ống lót xy lanh 1- Bề mặt tiếp xúc giữa ống lót với thân máy; 2- Thân máy; 3- Ống lót xy lanh

Bề mặt tiếp xúc đặc biệt giữa thân máy và ống lót xy lanh giúp tăng khả năng bám dính của ống lót lên thành xy lanh, giúp tăng khả năng trao đổi nhiệt – tản nhiệt cho ống lót xy lanh

Tương tự như thân máy, nắp máy của động cơ 1NZ-FE cũng được chế tạo từ hợp kim nhôm nhẹ, 2 trục cam được bố trí trên đầu nắp máy cùng cơ cấu phân phối khí Kim phun nhiên liệu được bố trí ở cửa nạp của mỗi máy giúp tăng hiệu quả hòa trộn xăng với không khí, tối thiểu hóa sự va đập với thành ống nạp, tăng tính kinh tế nhiên liệu cho động cơ Áo nước được bố trí giữa đường ống thải và vị trí lắp bugi giữ cho nhiệt độ đồng đều trên nắp máy và trên hết là giảm nhiệt độ xung quanh bugi, nâng cao chất lượng làm mát cho buồng cháy Bằng cách sử dụng buồng chát Taper Squish, hiệu quả nhiên liệu được cải thiện cũng như nâng cao khả năng chống kích nổ cho động cơ

Hình 2-8 Nắp máy động cơ 1NZ-FE 1- Vòi phun nhiên liệu; 2- Cửa nạp; 3- Áo nước làm mát trên nắp máy

4- Taper Squish; 5- Cửa thải

2.2.3 Cơ cấu phân phối khí

Động cơ 1NZ-FE sử dụng hệ thống điều khiển biến thiên thời điểm phối khí thông minh VVT-i (Variable Valve Timing – Intelligent) để điều khiển chính xác thời điểm phối khí hợp lý với tình trạng hoạt động của động cơ Điều này không chỉ làm tăng công suất cho động cơ, cải thiện tính kinh tế nhiên liệu cho động cơ mà còn giảm đáng kể thành phần độc hại có trong khí thải, giảm ô nhiễm môi trường

Trục khuỷu dẫn động 2 trục cam - 1 trục cam dẫn động các valve nạp và 1 trục cam dẫn động các valve thải, thông qua bộ truyền xích, bước xích 8.0 [mm] giúp cải thiện không gian bố trí Xích được bôi trơn bằng dầu bôi trơn động cơ thông qua một vòi phun, lượng dầu động cơ này sẽ không bị thất thoát khi bên ngoài bộ truyền xích được che đậy bằng một nắp bảo vệ chắc chắn

Thiết bị căng xích, tay căng xích, bộ phận dẫn hướng xích có nhiệm vụ giảm tổn thất do ma sát, va đập, giảm tiếng ồn động cơ va quan trọng hơn cả là chống trật xích khi động cơ đang hoạt động

Hình 2-9 Cơ cấu phân phối khí động cơ 1NZ-FE

1- Tay căng xích dẫn động; 2-Thiết bị điều khiển tay căng xích; 3- Bộ điều khiển phối khí VVT-i; 4-Xích dẫn động trục cam; 5- Trục cam thải; 6- Trục cam nạp; 7-

Bộ phận dẫn hướng xích dẫn động Mỗi máy có 2 valve nạp và 2 valve thải, mỗi valve được điều khiển đóng – mở trực tiếp bới vấu cam thông qua con đội và lò xo

Hình 2-10 Dẫn động valve

1- Vấu cam; 2- Con đội; 3- Thân valve

Hình 2-11 Sự hoạt động của VVT-i 1- Góc valve nạp mở; 2- Góc valve thải mở; 3,4- Góc làm việc của VVT-i

Bảng 2-2 Giá trị đóng mở các valve nạp – thải

Điều khiển thời

điểm

Valve nạp

Mở -7o - 33oBTDC Đóng -52o - 12oABDC

Bầu hút hơi xăng (6) sẽ kích hoạt valve cắt nhiên liệu (5) thông qua đó dừng sự hoạt động của bơm nhiên liệu khi các túi khí SRS phía trước bị bung ra do va đập với lực đủ mạnh Khi đó, nhiên liệu sẽ không được bơm cung cấp vào động cơ, giúp hạn chế khả năng cháy nổ khi xảy ra va chạm xuống mức tối thiểu, bảo vệ tính mạng của người ngồi trên xe được trang bị động cơ 1NZ-FE

Hình 2-12 Hệ thống nhiên liệu trên động cơ 1NZ-FE 1- Thùng chứa nhiên liệu; 2- Mô đun bơm nhiên liệu; 3- Bơm nhiên liệu; 4- Bầu lọc; 5- Valve cắt nhiên liệu; 6- Bầu hút hơi xăng; 7- Bộ điều áp; 8- Bộ giảm rung; 9-

Ống phân phối nhiên liệu; 10- Vòi phun nhiên liệu

Hình 2-13 Vòi phun nhiên liệu 2.2.5 Hệ thống đánh lửa

Hình 2-14 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa trên động cơ 1NZ-FE

1- Cảm biến vị trí trục khuỷu; 2- Cảm biến vị trí trục cam;

3- Các cảm biến khác; 4- ECM; 5- Bobine; 6- Bugi Động cơ 1NZ-FE trang bị hệ thống đánh lửa trực tiếp điền khiển điện tử, hệ thống không sử dụng bộ chia điện cũng như tiếp điểm đánh lửa giúp cho thời điềm đánh lửa được điều khiển chính xác và năng lượng đánh lửa đạt giá trị tối ưu Ở mỗi xy lanh được trang bị một bobine đơn tích hợp IC đánh lửa, ECM sẽ điều khiền các dòng điện

sơ cấp cấp đến cuộn sơ cấp của bobine đánh lửa theo thứ tự nổ của động cơ, khi ngắt dòng sơ cấp, một dòng thứ cấp điện áp cao xuất hiện tại cuộn thứ cấp của bobine đánh

lửa kích hoạt bugi tạo ra tia lửa điện đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu – không khí trong buồng cháy

Hình 2-15 Bobine đánh lửa tích hợp IC đánh lửa 1- IC đánh lửa; 2- Cuộn sơ cấp; 3- Cuộn thứ cấp; 4- Chụp bugi; 5- Lõi

2.2.6 Hệ thống bôi trơn

Hình 2-16 Bố trí hệ thống bôi trơn trên động cơ 2NZ-FE 1- Lọc tinh; 2- Lọc thô; 3- Bơm dầu; 4- Bộ VVT-i; 5- Phun dầu bôi trơn xích

Hệ thống bôi trơn tuần hoàn cưỡng bức trên động cơ 1NZ-FE có nhiệm vụ bôi trơn các bề mặt ma sát, làm giảm tổn thất ma sát, tẩy rửa các mạt kim loại sinh ra do hao mòn, các sản phẩm của quá trình cháy bám trên thành , bề mặt các chi tiết như xylanh, pis ton; bao kín khe hở giữa piston - xy lanh, giữa pis ton – séc măng, giữa séc măng – xy lanhđể giảm tối đa sự lọt khí từ buồng cháy xuống cacte

Hình 2-17 Sơ đồ nguyên lý hệ thống bôi trơn động cơ 1NZ-FE

1- Đường dầu chính; 2- Lọc tinh; 3- Valve an toàn; 4- Bơm dầu; 5- Lọc thô; 6- Cổ trục khuỷu; 7- Thanh truyền; 8- Lỗ dầu chốt piston; 9- Piston; 10- Lỗ phun dầu bộ truyền xích; 11- Xích dẫn động cam; 12- Bộ căng xích; 13- Nắp máy; 14- Lọc dầu; 15- Valve dầu điều khiển thời điểm trục cam; 16- Bộ VVT-i;

17- Cổ trục cam nạp; 18- Cổ trục cam thải; 19- Cacte

Hình 2-19 Sơ đồ nguyên lý hệ thống làm mát động cơ 1NZ-FE

1- Thân bướm ga; 2- Két nước làm mát; 3- Nắp máy; 4- Đường By-pass từ van hằng nhiệt; 5- Thân máy; 6- Bơm nước làm mát; 7- Van hằng nhiệt

Nước làm mát được bơm cấp cho một áp suất nhất định để tuần hoàn làm mát động cơ Khi nhiệt độ còn thấp – động cơ chạy ấm máy, nhiệt độ của nước nhỏ hơn nhiệt độ làm việc của van hằng nhiệt thì nước từ bơm nước đi vào thân máy lên nắp máy về van hằng nhiệt về lại bơm, nhiệt độ nước sẽ nhanh chóng tăng lên đếnh nhiệt

độ hoạt động ổn định của động cơ Đồng thời một lượng nhỏ nước làm mát đi đến thân bướm ga đủ để sấy nóng nhiên liệu giúp quá trình khởi động động cơ dễ dàng hơn

Khi nhiệt độ nước làm mát đã tăng lên đến nhiệt độ hoạt động ổn định, nếu tăng thêm nữa, van hằng nhiệt đạt đến nhiệt độ hoạt động sẽ đóng đường nước trực tiếp từ nắp máy về bơm, nước sẽ bắt buộc đi theo con đường từ nắp máy đến két làm mát nước và về lại bơm sau khi đã trao đổi mất đi một lượng nhiệt lớn giúp làm mát cho động cơ

Chương 3 TÍNH TOÁN CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ

3.1 TÍNH TOÁN CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ 1NZ-FE SỬ DỤNG XĂNG 3.1.1 Các số liệu ban đầu – Thông số kỹ thuật của động cơ 1NZ-FE nguyên thủy dùng nhiên liệu xăng

Bảng 3-1 Thông số kỹ thuật động cơ 1NZ-FE

Tên thông số Ký hiệu Giá trị Thứ nguyên

Hệ số lợi dụng nhiệt tại z ξz 0,85 ÷ 0,92 0,9

Hệ số lợi dụng nhiệt tại b ξb 0,85 ÷ 0,95 0,95

p p

m m a

r a

r

p

p T

 Tính số mol khí nạp mới M 1 [kmol/kgNL]:

Động cơ 1NZ-FE là động cơ phun xăng, vì vậy M 1 sẽ là:

v vkk v

 Tỷ nhiệt mol trung bình của sản vật cháy mC v"kJ kmol K/ :

Sản vật cháy là một hỗn hợp khí phức tạp nên khi tính toán có thể sử dụng những công thức kinh nghiệm sau:

 Tỷ nhiệt mol trung bình của hỗn hợp công tác mC v'kJ kmol K/ :

Trong quá trình nén, hỗn hợp công tác gồm khí nạp mới và khí sót nên tỷ nhiệt mol trung bình của hỗn hợp công tác có thể tính theo công thức sau:

'

2

n v

 Tính số kmol môi chất thay đổi khi cháy ΔM:

Đối với động cơ xăng trong trường hợp α = 1 thì:

H M

M M

0

0,5398

1, 0543 0,512

Trong đó: x z – hệ số tỏa nhiệt tại z, thể hiện phần nhiên liệu đã kịp cháy tại z Nếu giả thiết phần nhiên liệu đã kịp cháy tại z, x z và tại b (cuối kỳ giãn nở), x b tỷ lệ

thuận với hệ số lợi dụng nhiệt tại hai điểm trên, ngoài ra giả thiết x b = 1, sẽ có:

z z b

 Nhiệt độ cực đại của chu trình T z [°K]:

Nhiệt độ cực đại tính theo phương trình cháy:

+ Hệ số giãn nở khi cháy:

Đối với động cơ xăng (chu trình cấp nhiệt đẳng tích), z 1

c

V V

Đối với động cơ xăng thì tỷ số giãn nở sớm ρ = 1

2

1 1

8,3141

 



Bằng phương pháp đoán nghiệm ta xác định được n 2 = 1,2664

 Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở T b [°K]:

2 1

z

T T



2 1,2664

 

1,5 1 1,5

 Áp suất chỉ thị trung bình lý thuyết [MN/m 2]:

Trong trường hợp động cơ xăng :

pm = a + b.Cm [3-29] Trong đó :

a, b – các hằng số phụ thuộc thông số cấu tạo của động cơ, đối với động

cơ xăng có i = 4 < 6, tỷ số S/D > 1, khi mở 100% bướm ga, ta chọn a = 0,05; b =

p p

g g

h

D

V V

et

p i nV N

et

3.1.6 Vẽ đồ thị công

3.1.6.1 Xác định các điểm trên đường nén với chỉ số đa biến n1

Phương trình đường nén: p V. n1 const, do đó nếu gọi x là điểm bất kỳ trên đường nén thì:

nx c n

nx c

V V

 , với n 1 là chỉ số nén đa biến trung bình, xác định

thông qua tính toán nhiệt

3.1.6.2 Xây dựng đường cong áp suất trên đường giãn nở

Phương trình của đường giãn nở đa biến p V. n2 const, do đó nếu gọi x là điểm bất kỳ trên đường giãn nở thì:

p V z. z n2  p gnx.V gnx n2 [3-39]

Rút ra:

2

1

gnx z n

gnx z

V V

Trong đó V z .V c, đặt gnx

c

V i

p p

i



 , với n 2 là chỉ số giãn nở

đa biến trung bình, xác định thông qua tính toán nhiệt

 Biểu diễn các thông số:

+ Để dễ vẽ ta chia V h thành 2ε khoảng, khi đó i = 1; 1,5; 2; 2,5;…10; 10,5 + Ta biểu diễn thể tích buồng cháy: V cbd = 10 [mm]

3

0, 0394

0, 0039410

c v cbd

+ Về giá trị biểu diễn ta có đường kính của vòng tròn Brick AB bằng giá trị biểu

diễn của V h , nghĩa là giá trị biểu diễn của AB = V hbd [mm]

0, 0847

0, 00089295

s hbd

27 , 0 0847 , 0 4

2

0

0057 , 0 '

s bd

OO OO

c Lập bảng xác định đường nén và đường giãn nở

Bảng 3 – 3 Bảng số liệu đường nén và đường giãn nở

P c *1/i n 1

Pn(mm

P z r n2 \i n 2

Pgn(mm )

1Vc 1.0 0.039 10 1.000 1.000 2.232 44.640 1.000

1.00

0 9.686 193.728 1.5V

8 0.755 15.101

Xác định các điểm trung gian :

Trên đoạn cy lấy điểm c” với c”c = 1/3 cy

Trên đoạn yz lấy điểm z” với z”y = 1/2 yz

Trên đoạn ba lấy điểm b” với b”b = 1/2 ba

Nối các điểm trung gian của đường nén và đường giãn nở với các điểm đặc biệt sẽ được đồ thị công lý thuyết

Nối các điểm c’c”z” và đường giãn nở thành dường cong liên tục tại ĐCT và

ĐCD và tiếp xúc với đường thải sẽ nhận được đồ thị công đã hiệu chỉnh

Hình 4 – 1 Đồ thị công động cơ 1NZ-FE khi dùng xăng 3.1.7 Đồ thị lực quán tính -Pj=f(x)

Trước tiên ta thấy lực quán tính Pj = -m j  -Pj = m j Do đó thay vì vẽ Pj ta vẽ -Pj lấy trục hoành đi qua po của đồ thị công vì đồ thị -Pj là đồ thị j = f(x) có tỷ lệ xích khác mà thôi Vì vậy ta có thể hoàn toàn áp dụng phương pháp Tôlê để vẽ đồ thị -

Để có thể dùng phương pháp cộng đồ thị -Pj với đồ thị công thì -Pj phải có cùng thứ nguyên và tỷ lệ xích với đồ thị công, thay vì vẽ giá trị thực của nó ta vẽ -Pj = f(x) ứng với một đơn vị diện tích đĩnh Piston Do đó ta có tỉ lệ xích của đồ thị là: P j P

= 0,05[MN/s2.mm] Và có:

4

075 , 0 14 , 3

97 , 0

4 πD

m' F

Trong đó: m _ khối lượng tham gia chuyển động tịnh tiến

mnpt _ khối lượng nhóm Piston

mtt _ khối lượng nhóm thanh truyền

m1 _ khối lượng nhóm thanh truyền qui về đầu nhỏ

m2 _ khối lượng nhóm thanh truyền qui về đầu to

Giá trị biểu diễn gia tốc là:

Giá trị biểu diễn của -Pjmax =

05 , 0

66 , 4

max





Pj j

P

 =93,2  mm

Giá trị biểu diễn của -Pjmin =

05 , 0

68 , 2

min





Pj j

P

 =53,6  mm

Giá trị biểu diễn của EF =

05,0

97,2

Qua các giao điểm này ta kẻ các đường thẳng song song với trục hoành gióng sang hệ toạ độ p-α Từ các điểm chia tương ứng 00, 100, 200,… trên trục hoành của

đồ thị p-α ta kẻ các đường thẳng đứng cắt các đường trên tại các điểm ứng với các góc chia trên đồ thị Brick và phù hợp với các quá trình làm việc của động cơ Nối các điểm lại bằng đường cong thích hợp ta được đồ thị khai triển p-α