Giáo trình kết cấu động cơ đốt trong

BỘ LAO ĐỘNG THƢƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT VINH Chủ biên: TS Phạm Hữu Truyền KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG (Giáo trình lưu hành nội bộ) Nghệ An, Năm 2016 BỘ LAO ĐỘNG THƢƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT VINH Nhóm tác giả: TS Phạm Hữu Truyền - Chủ biên Ths Nguyễn Ngọc Tú Ths Lƣu Đức Lịch KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG (Giáo trình lưu hành nội bộ) Nghệ An, Năm 2016 LỜI NĨI ĐẦU Để góp phần vào nâng cao chất lƣợng đào tạo sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật tơ, chúng tơi biên soạn giáo trình “Kết cấu động đốt trong” Giáo trình chủ yếu phục vụ việc học tập nghiên cứu sinh viên ngành công nghệ kỹ thuật ô tô thuộc khoa Cơ khí động lực Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Vinh Đồng thời làm tài liệu tham khảo cho cán kỹ thuật làm việc ngành khí động lực Nội dung giáo trình giới thiệu cách có hệ thống vấn đề động học, động lực học cấu trục khuỷu - truyền cân động cơ; nhiệm vụ, điều kiện làm việc, vật liệu chế tạo, nguyên lý hoạt động phƣơng án kết cấu chi tiết, cấu, hệ thống động đốt Ngồi giáo trình cung cấp thêm kết cấu, nguyên lý hoạt động hệ thống phân phối khí, hệ thống nhiên liệu động xăng động diesel hệ đƣợc sử dụng động ơtơ Giáo trình đƣợc biên soạn sở giảng đƣợc giảng dạy nhiều năm cho ngành công nghệ kỹ thuật tơ - khoa Cơ khí động lực - Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Vinh, có bổ sung cập nhật kiến thức đại Chúng tơi cố gắng nêu vấn đề có tính đặc trƣng phản ánh đƣợc mức độ tiến mặt kỹ thuật việc chế tạo sử dụng động đốt Nhóm tác giả chân thành cảm ơn tập thể cán giảng dạy mơn Cơng nghệ kỹ thuật Ơtơ xƣởng thực hành Ơtơ, khoa Cơ khí Động lực, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Vinh đóng góp cho giáo trình ý kiến q báu Chúng tơi kính mong bạn đồng nghiệp, sinh viên bạn đọc đóng góp ý kiến xây dựng giáo trình để lần tái đƣợc hồn thiện Nhóm tác giả CHƢƠNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1.1 Động nhiệt Động nhiệt loại máy biến đổi nhiệt nhiên liệu thành Có thể phân q trình cơng tác động nhiệt thành hai trình nhƣ sau: - Đốt cháy nhiên liệu, giải phóng hóa thành nhiệt gia nhiệt cho môi chất công tác Trong giai đoạn xảy tƣợng lý hóa phức tạp - Biến đổi trạng thái mơi chất cơng tác, hay nói cách khác, mơi chất cơng tác thực chu trình nhiệt động để biến đổi phần nhiệt thành Trên sở phân loại động nhiệt thành hai loại động đốt ngồi động đốt Ở động đốt ngoài, ví dụ máy nƣớc cổ điển tàu hỏa, hai giai đoạn xảy hai nơi khác Giai đoạn thứ xảy buồng đốt nồi xúp - de, kết đƣợc nƣớc có áp suất nhiệt độ cao Cịn giai đoạn thứ hai trình giãn nở nƣớc buồng công tác sinh công làm quay bánh xe Còn động đốt trong, hai giai đoạn diễn vị trí, bên buồng công tác động Hai loại động nói có hai kiểu kết cấu, động kiểu piston kiểu tuốc-bin theo sơ đồ dƣới đây, hình 1-1 Hình 1-1 Động đốt thuộc họ động nhiệt Trong giáo trình đề cập tới động đốt kiểu Piston từ gọi vắn tắt động đốt Trong thực tế, động kiểu tuốcbin đối tƣợng khảo sát chuyên ngành máy tuốc-bin 1.1.2 So sánh động đốt động nhiệt khác a Ƣu điểm - Hiệu suất có ích ηc lớn nhất, đạt tới 50% Trong đó, máy nƣớc cổ điểu kiểu piston đạt khoảng 16%, tuốc-bin nƣớc từ 22 đến 28% cịn tuốc-bin khí tới 30% Lý chủ yếu chu trình Các-nơ tƣơng đƣơng động đốt có chênh lệch nhiệt độ trung bình nguồn nóng nguồn lạnh lớn Cụ thể động đốt trong, nhiệt độ trình cháy cao đến 18000K đến 27000K, nhiệt độ cuối trình giãn nở nhỏ, vào khoảng 9000K đến 15000K - Kích thƣớc trọng lƣợng nhỏ, cơng suất riêng lớn Ngun nhân trình cháy diễn xylanh động nên không cần thiết bị cồng kềnh nhƣ lò đốt, nồi hơi…và sử dụng nhiên liệu có nhiệt trị cao (ví dụ nhƣ xăng, nhiên liệu diesel…so với than, củi, khí đốt… dùng động đốt ngồi) Do đó, động đốt thích hợp cho phƣơng tiện vận tải với bán kính hoạt động rộng - Khởi động, vận hành chăm sóc động thuận tiện, dễ dàng b Nhƣợc điểm - Khả tải kém, vận hành không 10% - Tại chế độ tốc độ vịng quay nhỏ, mơmen sinh khơng lớn Do đó, động khơng thể khởi động đƣợc có tải phải có hệ thống khởi động riêng - Cơng suất cực đại khơng lớn Ví dụ, động lớn giới động hãng MAN B&W có cơng suất 68,520 kW (số liệu 1997), tuốc-bin bình thƣờng có cơng suất tới vài chục vạn kW - Cấu tạo phức tạp, giá thành chế tạo cao - Nhiên liệu cần có yêu cầu khắt khe nhƣ hàm lƣợng tạp chất thấp, tính chống kích nổ cao, tính tự cháy cao nên giá thành cao Mặt khác, nguồn nhiên liệu dầu mỏ ngày cạn kiệt Theo dự đoán, trữ lƣợng dầu mỏ mỏ dầu phát mỏ dầu với trữ lƣợng khổng lồ, đặc biệt vùng khí hậu khắc nghiệt nhƣ Bắc Nam Cực - Ơ nhiễm mơi trƣờng khí thải ồn Tuy nhiên, động đốt máy động lực chủ yếu, đóng vai trị vơ quan trọng lĩnh vực đời sống ngƣời nhƣ giao thông vận tải, xây dựng, khai thác mỏ, nông nghiệp, ngƣ nghiệp…Theo nhà khoa học, vòng nửa kỷ tới chƣa có động thay đƣợc động đốt trong vai trò máy động lực hàng đầu 1.1.3 Cấu tạo chung động đốt - Cơ cấu trục khuỷu truyền Dùng để thực chu trình cơng tác động biến chuyển động tịnh tiến piston thành chuyển động quay trục khuỷu ngƣợc lại Cơ cấu gồm có: cácte, thân máy, nắp máy, nhóm piston, nhóm truyền, nhóm trục khuỷu bánh đà - Cơ cấu phân phối khí Dùng để nạp mơi chất (hồ khí khơng khí) vào xylanh xả khí cháy ngồi Cơ cấu gồm có: bánh cam, trục cam, đội, đũa đẩy, mỏ cò, cụm xupáp, ống dẫn hƣớng, đế - nấm xupáp 1- trục khuỷu, 2- truyền, 3piston, 4- xupáp xả, ống xả, 5- vòi phun, 6- xu páp nạp, ĐCT - Điểm chết trên, ĐCD - Điểm chết dƣới, S Hành trình piston, D - đƣờng kính xylanh Hình 1-2 Cấu tạo chung động đốt bốn kỳ - Hệ thống làm mát Dùng để hạ thấp nhiệt độ cho chi tiết động bị đốt nóng q trình làm việc, nhằm tăng tuổi thọ công suất động Hệ thống gồm có: nịng nƣớc nắp thân máy, két nƣớc, ống dẫn nƣớc, bơm nƣớc, quạt gió, van nhiệt - Hệ thống bôi trơn Dùng để đƣa dầu nhờn bôi trơn bề mặt ma sát động cơ, nhằm giảm ma sát, mài mòn tổn hao cơng suất Hệ thống gồm có: bơm dầu nhờn, bầu lọc dầu, két mát dầu, đƣờng dầu động - Hệ thống cung cấp nhiên liệu Dùng để chuẩn bị hỗn hợp cháy có thành phần, tỷ lệ thích hợp theo yêu cầu làm việc động trƣờng hợp Hệ thống cung cấp nhiên liệu động xăng gồm: thùng chứa xăng, ống dẫn xăng, bơm xăng, bầu lọc xăng, chế hồ khí, bầu lọc khơng khí, ống hút, ống xả, bình tiêu âm Hệ thống cung cấp nhiên liệu động Diesel gồm: thùng chứa dầu Diesel, ống dẫn dầu, bầu lọc dầu, bơm thấp áp, bơm cao áp, vịi phun, bầu lọc khơng khí, ống hút, ống xả bình tiêu âm a Các thuật ngữ dùng động đốt - Điểm chết Là điểm dừng mà piston đổi chiều chuyển động Điểm chết (ĐCT) điểm dừng piston ứng với khoảng cách từ piston đến đƣờng tâm trục khuỷu lớn Điểm chết dƣới (ĐCD) điểm dừng piston ứng với khoảng cách từ piston đến đƣờng tâm trục khuỷu nhỏ - Hành trình (khoảng chạy) piston: S Trong động giao tâm S khoảng cách điểm chết S  2R với R bán kính quay trục khuỷu - Dung tích làm việc xylanh:Vh Là thể tích xylanh giới hạn khoảng hành trình piston Vh   D S (lít) Trong đó: D - đƣờng kính xylanh (mm) S - hành trình piston (mm) - Dung tích buồng cháy: Vc Là thể tích khơng gian đƣợc giới hạn nắp máy, xylanh đỉnh piston piston ĐCT - Dung tích toàn phần xylanh: Va Va  Vh  Vc - Tỷ số nén:  Biểu thị mức độ nén môi chất xylanh  Va Vh  Vc V   1 h Vc Vc Vc Động xăng:    12 Động Diesel:   13  25 - Kỳ Là phần chu trình cơng tác mà ứng với thời gian piston đƣợc hành trình S (kỳ có tính tuần tự: hút, nén, nổ, xả) Động kỳ, chu trình cơng tác piston lên xuống lần Động kỳ, chu trình công tác piston lên xuống lần - Chu trình cơng tác động tập hợp gồm trình: hút, nén, nổ, xả - Quá trình làm việc động tập hợp chu trình cơng tác động cách liên tục b Nguyên lý làm việc động bốn kỳ khơng tăng áp Hình 1-3 Đồ thị miêu tả nguyên lý làm việc động bốn kỳ không tăng áp a- Đồ thị công; b- Đồ thị pha - Hành trình thứ nhất: hành trình nạp Piston từ ĐCT xuống ĐCD xupáp nạp mở, xupáp thải đóng, làm cho áp suất xylanh giảm nên tạo độ chân khơng xylanh Khơng khí (đối với động diesel) hay hỗn hợp (đối với xăng, gas ) từ đƣờng nạp gọi khí nạp đƣợc hút vào xylanh qua xupáp nạp mở hòa trộn với khí sót chu trình trƣớc tạo thành hỗn hợp cơng tác Trên đồ thị cơng hình 1-3a, hành trình nạp đƣợc thể đƣờng (r-a) Để tiết diện lƣu thơng xupáp lớn khí nạp thực vào xylanh nạp đầy hơn, xupáp mở sớm góc φ1 điểm d1 Đồng thời xupáp nạp đƣợc đóng muộn chút so với vị trí piston ĐCD (điểm d2) để lợi dụng độ chân khơng cịn lại xylanh lực qn tính dịng khí nạp, làm tăng thêm lƣợng hồ khí nạp vào xylanh (giai đoạn nạp thêm) Góc ứng φ2 với đoạn ad2 đồ thị cơng đƣợc gọi góc đóng muộn xupáp nạp Vì vậy, q trình nạp khơng phải kết thúc ĐCD mà muộn chút, nghĩa sang hành trình nén Vì vậy, góc quay trục khuỷu tƣơng ứng trình nạp (φ1+1800 + φ2) lớn góc hành trình nạp 1800 - Hành trình thứ hai: hành trình nén Piston từ ĐCD lên ĐCT Xupáp nạp xupáp thải đóng, piston dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT, hồ khí xylanh bị nén, áp suất nhiệt độ tăng lên Hành trình nén đƣợc biểu thị đƣờng ac'' đồ thị cơng hình 1-3a, nhƣng trình nén thực tế bắt đầu xupáp nạp thải đóng kín hồn tồn, tức lúc mà hồ khí xylanh cách ly với mơi trƣờng bên ngồi Do thời gian thực tế trình nén (1800 - φ2) nhỏ thời gian hành trình nén lý thuyết (1800) Cuối hành trính nén điểm c' gần ĐCT tƣơng ứng với góc φs ứng với đoạn c'c'', bugi bật tia lửa điện (động xăng, động gas) hay vòi phun (động diesel) phun nhiên liệu vào xylanh Góc φs đƣợc gọi góc đánh lửa sớm (động xăng, động gas) hay góc phun sớm (động diesel) Sau thời gian chuẩn bị ngắn, trình cháy thực diễn làm cho áp suất nhiệt độ xylanh tăng lên nhanh - Hành trình thứ ba: hành trình cháy- giãn nở (hành trình sinh cơng) Trong hành trình piston từ ĐCT xuống ĐCD, xupáp nạp thải đóng Do hỗn hợp cơng tác đƣợc cháy cuối hành trình nén, sau ĐCT trình cháy tiếp tục diễn nên áp suất nhiệt độ tăng, lên lớn xylanh đƣợc biểu thị đƣờng c''z đồ thị cơng sau giảm thể tích xylanh tăng nhanh Tiếp theo trình cháy trình giãn nở khí cháy (đƣờng zb'') piston bị đẩy từ ĐCT xuống ĐCD phát sinh cơng - Hành trình thứ tư: hành trình thải Trong hành trình này, xupáp nạp đóng cịn xupáp thải mở Piston dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT đẩy sản phẩm cháy khỏi xylanh Trƣớc kết thúc hành trình cháy – giãn nở sinh công, xupáp thải đƣợc mở sớm chút trƣớc piston tới ĐCD (điểm b') để thải tự lƣợng đáng kể sản vật cháy khỏi xylanh vào đƣờng thải Góc φ3 ứng với đoạn b'b'' đồ thị cơng gọi góc mở sớm xupáp thải Đồng thời để tận dụng quán tính dịng khí nhằm thải thêm, xupáp thải đƣợc đóng muộn sau ĐCT góc φ4 ứng với đoạn rr' đồ thị cơng hành trình nạp chu trình Do xupáp thải mở sớm đóng muộn nên góc quay trục khuỷu cho q trình thải (φ3+1800 + φ4) lớn góc hành trình thải (1800 ) Sau khảo sát, ta rút số nhận xét sau: - Trong bốn hành trình có hành trình sinh cơng Các hành trình cịn lại tiêu hao cơng từ động chi tiết chuyển động quay nhƣ bánh đà, trục khuỷu - Các xupáp có góc mở sớm đóng muộn nhằm thải nạp đầy Tập hợp góc mở sớm đóng muộn xupáp đƣợc gọi pha phối khí, hình 1-3b Giá trị tối ƣu pha phối khí góc phun sớm, góc đánh lửa sớm φs, khó xác định tính tốn nên thƣờng đƣợc lựa chọn thực nghiệm - Trong khoảng góc φ1 + φ4 (cuối trình thải, đầu trình nạp), hình 1-3b, hai xupáp mở Do φ1 + φ4 đƣợc gọi góc trùng điệp xupáp c Nguyên lý làm việc động hai kỳ Chu trình làm việc động hai kỳ bao gồm bốn trình: nạp, nén, cháy giãn nở thải, nhƣng khác với động bốn kỳ để hoàn thành chu trình làm việc, trục khuỷu động hai kỳ quay vòng (3600) tƣơng ứng với piston dịch chuyển hai hành trình Do đó, hành trình piston có nhiều q trình xảy  Động xăng hai kỳ , loại có cửa thổi cửa thải cácte; trục khuỷu; truyền; cửa thải; piston; nắp xylanh; xylanh; cửa thổi ; Hình 1-4a Nguyên lí làm việc động xăng hai kỳ - Hành trình thứ nhất: Hành trình nén Trong hành trình (hình 1-4a), trục khuỷu (2) quay, piston (5) dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT, cửa thải (4) đƣợc piston đóng kín, hồ khí có sẵn xylanh (6) bị nén, làm cho áp suất nhiệt độ tăng, đến piston gần tới ĐCT bị đốt cháy nhờ bugi (7) phóng tia lửa điện Khi piston lên để nén hồ khí, phía dƣới piston, cácte (1) áp suất giảm hồ khí từ chế hồ khí, qua ống nạp cửa nạp đƣợc hút vào cácte để chuẩn bị cho việc thổi hồ khí vào xylanh hành trình sau - Hành trình thứ hai: Hành trình sinh cơng thay khí Trong hành trình (hình 1-4a), hồ khí đƣợc đốt cháy cuối hành trình nén nên piston đến ĐCT hồ khí cháy nhanh hơn, làm cho áp suất khí cháy tăng lên đẩy piston xuống ĐCD sinh công Khi piston dịch chuyển dần tới ĐCD cửa thải (4) mở, đồng thời sau cửa thổi (8) có chiều cao thấp cửa thải đƣợc mở cửa nạp đóng lại Do đó, khí cháy sau làm việc, có áp suất (3 - kG/cm2) lớn áp suất khí trời (p0 = 1kG/cm2), đƣợc thải ngồi hồ khí dƣới cácte bị nén có áp suất (1,2 – 1,3 kG/cm2) cao áp suất khí cháy cịn lại xylanh (khoảng 1,1 kG/cm2) theo đƣờng (9) theo cửa thổi (8) vào xylanh phía đỉnh piston, góp phần làm hồ khí cháy tạo điều kiện cho hành trình sau ... góp ý kiến xây dựng giáo trình để lần tái đƣợc hồn thiện Nhóm tác giả CHƢƠNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1.1 Động nhiệt Động nhiệt loại máy... kỷ tới chƣa có động thay đƣợc động đốt trong vai trò máy động lực hàng đầu 1.1.3 Cấu tạo chung động đốt - Cơ cấu trục khuỷu truyền Dùng để thực chu trình cơng tác động biến chuyển động tịnh tiến... công tác động Hai loại động nói có hai kiểu kết cấu, động kiểu piston kiểu tuốc-bin theo sơ đồ dƣới đây, hình 1-1 Hình 1-1 Động đốt thuộc họ động nhiệt Trong giáo trình đề cập tới động đốt kiểu