Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu piston đến trạng thái bôi trơn, ma sát, tiếng gõ, sự làm việc của hệ thống trao đổi khí của động cơ

Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu piston đến trạng thái bôi trơn, ma sát, tiếng gõ, sự làm việc của hệ thống trao đổi khí của động cơ

Họ tên : Nguyễn Viết HơnLớp: 49KTOT

Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Ô Tô Mã ngành:

Tên đề tài : Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu piston đến trạng thái bôi trơn, ma sát, tiếng gõ, sự làm việc của hệ thống trao đổi khí của động cơ

Số trang: 94 Số chương: 4 Tài liệu tham khảo:20

Hiện vật: Một Piston, ba quyển báo cáo và một CD chứa nội dung đề tài

Nhận xét

Nha trang, ngày … tháng … năm 2011

Chủ tịch hội đồng

(Kí và ghi rõ họ tên)

Họ tên : Nguyễn Viết HơnLớp: 49KTOT

Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Ô Tô Mã ngành:

Tên đề tài : Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu piston đến trạng thái bôi trơn, ma sát, tiếng gõ, sự làm việc của hệ thống trao đổi khí của động cơ

Số trang: 94 Số chương: 4 Tài liệu tham khảo:20

Hiện vật: Một Piston, ba quyển báo cáo và một CD chứa nội dung đề tài

Nhận xét

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đồ án này, trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn tới TS Lê Bá Khang đã

tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập và thực hiện Đồ án

Em chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Nhận, Ths Huỳnh Trọng Chương, GV

Trần Ngọc Anh đã giúp đỡ em

Xin chân thành cảm ơn Phó giám đốc Võ Tá Dũng - Công ty Sao Mai Anh đã tạo điều

kiện thuận lợi để em thực hiện khảo sát các số liệu thực tế phục vụ Đồ án tốt nghiệp

1.2 CẤU TRÚC TỔNG QUÁT CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 3

1.2.1 Cơ cấu truyền lực 4

1.2.2 Hệ thống trao đổi khí 6

1.2.3 Hệ thống bôi trơn 6

1.3 MA SÁT, BÔI TRƠN TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 7

1.3.1 Tổng quan ma sát, bôi trơn trong động cơ đốt trong 7

1.3.2 Ma sát trong hệ piston xilanh 9

1.3.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến ma sát, bôi trơn trong cặp tiếp xúc váy piston-xilanh 14

2.2.1 Phương trình cân bằng lực và mô men tác động lên piston 19

3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA LỆCH ẮC PISTON 28

3.2.1 Ảnh hưởng của lệch ắc piston đến chuyển động phụ của piston 28

3.2.2 Kết quả khảo sát độ lệch ắc piston trên thực tế 29

3.2.3 Động lực học piston có độ lệch ắc 31

3.2.4 Phân tích ảnh hưởng của độ lệch ắc đến ma sát, tiếng gõ, bôi trơn 33

3.2.5 Ảnh hưởng của độ lệch ắc đến sự làm việc của hệ thống trao đổi khí 45

3.3 ẢNH HƯỞNG CỦA BIÊN DẠNG VÁY CỦA PISTON ĐẾN MA SÁT VÀ TIẾNG GÕ 50

3.3.1 Ảnh hưởng của biên dạng váy cong 50

3.3.2 Ảnh hưởng của bề mặt biên dạng váy 60

3.3.3 Ảnh hưởng của biên dạng piston ovan 71

3.4 ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ ĐỘ LỆCH TRỌNG TÂM Cg 75

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Kết cấu động cơ diesel hai kỳ 3

Hình 1.2: Cơ cấu truyền lực 4

Hình 1.3: Cơ cấu phân phối khí trong động cơ xăng V6 1G-FE 6

Hình 1.4: Đường cong stribeck 8

Hình 1.5 Phần trăm các thành phần của tổn thất ma sát 8

Hình 1.6: Thể hiện thành phần tổn thất ma sát ở cụm piston vòng găng, thanh truyền 9

Hình 1.7: Hệ piston, xilanh, thanh truyền 9

Hình 1.8: Điều kiện bôi trơn ở vòng găng 10

Hình 1.9: Các kiểu bôi trơn hình thành trong hệ piston xilanh 10

Hình 1.10: Bôi trơn thủy động giữa váy và xilanh 11

Hình 1.11: Đường cong stribeck 14

Hình 2.1: Các thông số mô tả chuyển động phụ 17

Hình 2.2: Chuyển động ngang của piston 18

Hình 2.3: Lực bên từ chốt đến váy piston 18

Hình 2.4: Lực và mô men tác động lên piston 19

Hình 2.5: Chuyển vị của piston theo phương ngang 22

Hình 3.1: Piston không có độ lệch ắc và có độ lệch ắc 28

Hình 3.2: Dụng cụ đo 29

Hình 3.3: Tiến hành đo 29

Hình 3.4: Lực và mô men tác động lên piston có độ lệch ắc âm 31

Hình 3.5: Đồ thị gia tốc của piston khi chuyển động trong xilanh 33

Hình 3.6: Thể hiện trạng thái của piston ở khu vực điểm chết trên và gần điểm chết trên trong kì nén và giãn nở 34

Hình 3.7: Độ dịch chuyển của đỉnh và đáy của piston và góc nghiêng piston 35

Hình 3.8: Quy ước sử dụng trong nghiên cứu 36

Hình 3.9: Đường cong lực bên tác dụng lên váy thông qua chốt piston 37

Hình 3.10: Chuyển động ngang của piston theo lực ngang không thứ nguyên 38

Hình 3.11: Chiều dày màng dầu nhỏ nhất của bên va đập và chống va đập 38

Hình 3.12: Lực bên và tổng lực thủy động 39

Hình 3.13: Các lực thủy động phía bên va đập 39

Hình 3.14 Các lực thủy động phía bên chống va đập 40

Hình 3.15: Chuyển động quay của piston 40

Hình 3.16: Các mô men bên phía va đập 41

Hình 3.17: Các mô men thủy động bên phía chống va đập 41

Hình 3.18: Thể hiện ảnh hưởng của độ lệch ắc đến va đập bên 42

Hình 3.19: Lực va đập bên với động cơ có piston lệch ắc Cp=-1mm 43

Hình 3.20: Lực va đập bên với động cơ không có độ lệch ắc 44

Hình 3.21: Thể hiện mối quan hệ giữa lệch ắc và tiếng ồn giữa kết quả đo được 45

Hình 3.22: Hệ piston trục khuỷu thanh truyền đồng tâm 45

Hình 3.23: Hệ piston trục khuỷu thanh truyền có độ lệch ắc trái 46

Hình 3.24: Dấu trên bánh răng trục khuỷu trùng với dấu trên xích 49

Hình 3.25: Biểu đồ góc phối khí khi piston có độ lệch ắc lắp đúng và lắp sai 49

Hình 3.26: Lực và mô men tác động lên piston biên dạng cong 51

Hình 3.27: Ảnh hưởng của biên dạng váy đến mô men thủy động 53

Hình 3.28: Động cơ Waukesha tại phòng thí nghiệm 55

Hình 3.29: Thiết bị đo mức tiêu thụ dầu bôi trơn 55

Hình 3.30: Các kiểu biên dạng của piston 55

Hình 3.31: Thể hiện sự so sánh khu vực ướt của hai loại biên dạng khác nhau 56 Hình 3.32: So sánh áp suất phân bố trên hai biên dạng 57

Hình 3.33: Diện tích ướt theo góc quay trục khuỷu của các loại biên dạng 57

Hình 3.34: Biên dạng với sự phân tách nhỏ nhất giữa váy và xilanh 58

Hình 3.35: Lực tiếp xúc bên phía va đập của xianh 59

Hình 3.36: Đường cong Stribeck 59

Hình 3.37: Thông số hình học của vòng găng 60

Hình 3.38: Các biên dạng váy được khảo sát 61

Hình 3.39: Cửa sổ quan sát màng dầu trên xilanh 61

Hình 3.40: Kết quả lực ma sát của các biên dạng theo góc quay 62

Hình 3.41: Lực ma sát và tổn thất ma sát trong suốt hành trình nạp 63

Hình 3.42: Hình ảnh loangdầu ở các loại biên dạng trong kì nạp 63

Hình 3.43: Lực ma sát và tổn thất ma sát trong hành trình nén 64

Hình 3.44: Hình ảnh loang dầu ở các loại biên dạng trong kì nén 65

Hình 3.45: Lực ma sát và tổn thất ma sát trong hành trình giãn nở 66

Hình 3.46: Hình ảnh loang dầu ở các loại biên dạng trong kì giãn nở 67

Hình 3.47: Thể hiện lực ma sát và tổn thất ma sát trong suốt hành trình xả 68

Hình 3.48: Hình ảnh loangdầu ở các loại biên dạng trong kì xả 69

Hình 3.49: Ảnh hưởng của biên dạng đến ma sát 70

Hình 3.50: Tiếng ồn của các loại biên dạng 70

Hinh 3.51: Piston có biên dạng ovan 71

Hình 3.52: Mặt cắt ngang của piston thể hiện các độ ovan khác nhau 72

Hình 3.53: Độ ovan khác nhau ảnh hưởng đến tổn thất ma sát 73

Hình 3.54: Ma sát thủy động với độ ovan 73

Hình 3.55: Ảnh hưởng của các độ ovan đến chuyển động bên 74

Hình 3.56: Thể hiện lực tương tác giữa váy và xilanh 74

Hình 3.57: Hình ảnh đường đi của piston trong một chu trình 76

Hình 3.58: Lực và mô men tác dụng lên piston có độ lệch tâm 77

Hình 3.59: Sự tiếp xúc ban đầu của váy piston vào bên chống va đập của thành xilanh 78

Hình 3.60: Lực va đập bên ở cả phía va đập và chống va đập khi Cg=0 79

Hình 3.61: Lực va đập bên ở cả phía va đập và chống va đập khi Cg= 4mm 79

Hình 3.62: Lực va đập bên ở cả phía va đập và chống va đập khi Cg= 8 mm 80

Hình 3.63: Lực va đập bên ở cả phía va đập và chống va đập khi Cg= 12 mm 80

Hình 3.64: Lực va đập bên ở cả phía va đập và chống va đập khi Cg= 16 mm 80

Hình A.1: Bên trong xưởng dịch vụ GM-Kia 85

Hình A.2: Hệ thống chẩn đoán lỗi toàn cầu 86

Hình A.3: Máy Scan đa năng 86

Hình A.4: Tham gia chẩn đoán trên máy C-100 87

Hình A.5: Bôi trơn thủy động giữa vòng găng và xilanh 88

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Thông số và điều kiện hoạt động trong nghiên cứu của Conor P

McNally [5] .36

Bảng 3.2: Thông số kĩ thuật của động Waukesha .54

Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật chính của động cơ .60

Bảng 3.4: Thông số của piston .60

Bảng 3.5: Điều kiện thực nghiệm 61

Bảng 3.6: Thông số hình học và dữ liệu hoạt động cho mô hình 79

eb- chuyển vị ngang của đáy váy et- chuyển vị ngang của đỉnh váy

FT,FA- phản lực pháp tuyến do tiếp xúc piston-xilanh hr- khe hở bên vòng găng đỉnh

lj- khoảng cách từ tâm đến các vòng găng FfA,FfT- lực ma sát giữa váy piston với xilanh

F- lực tác dụng thanh truyền Fg- lực khí thể

FIC, FIP- lực quán tính theo phương ngang tác động lên chốt và trọng tâm của piston

F ,FIP- lực quán tính tác động theo phương thẳng đứng lên chốt và trọng tâm FFTh- lực ma sát thủy động

FQj- lực dọc giữa piston và vòng găng

FRj- lực ma sát ngang từ vòng găng tác dụng lên piston L- chiều dài của váy

Lr - chu vi của vòng găng MIP- mô men quán tính

Mpp- mô men ma sát ở chốt piston

MIC- mô men quán tính tác động lên trọng tâm piston MFTh- mô men ma sát thủy động

mr- khối lượng vòng găng Ph- áp suất thủy động

Pw- áp suất tiếp xúc trên toàn bộ diện tích

p - áp suất tiếp xúc cục bộ Rp- bán kính chốt piston U- tốc độ piston

Wr- bề rộng theo mặt cắt hướng kính VS- thể tích công tác

β-hệ số phụ thuộc vào diện tích của màng dầu treeb váy piston µring-piston hệ số ma sát giữa piston và vòng găng

Φ- độ nghiêng của piston

Φx, Φy- các nhân tố áp suất dòng Φs- nhân tố dòng chảy trượt Ω - độ sóng bề mặt

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TỪ KHÓA

ĐCĐT: Động cơ đốt trong ĐCT: Điểm chết trên ĐCD: Điểm chết dưới

FMEP- Friction Measure Effective Pressure : Áp suất tổn thất do ma sát

Boundary lubrication: Bôi trơn giới hạn Eccentric piston: Piston lệch tâm

Hydrodynamic lubrication: Bôi trơn thủy động Lateral force: Lực ngang

Lateral displacement: Dịch chuyển ngang của piston Mixed lubrication: Bôi trơn hỗn hợp

Side impact: Va đập bên

Secondary movement of piston: Chuyển động phụ của piston Skirt profile: Biên dạng váy piston

Thrust-side: Bên va đập Wrist pin offset: Độ lệch ắc

MỞ ĐẦU

Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, nhận thức của xã hội về môi trường được nâng cao Sự tăng nhanh về số lượng các phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu truyền thống, làm nồng độ carbon dioxide trong khí quyển gia tăng, kết quả làm trái đất nóng lên, cùng với đó là sự cạn kiệt dần của nguồn nhiên liệu hóa thạch Điều này đã đặt ra thách thức cho các nhà chế tạo trong lĩnh vực động cơ, nghiên cứu nhằm mục đích giảm lượng khí thải, nâng cao hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu động cơ

Từ nhiều nghiên cứu trên cơ sở thực nghiệm và lý thuyết, đã chứng minh rằng ma sát trong cụm piston xilanh là nhân tố chính có ảnh hưởng lớn đến năng lượng tổn thất, trong đó ma sát giữa các vòng găng-xilanh và váy-xilanh là nhiều nhất Ngoài ra nó cũng được xác nhận là một trong số nhân tố gây ra tiếng ồn, tiếng gõ và tăng mức độ ô nhiễm khí thải

Nhằm giảm ô nhiễm môi trường do khí thải, cũng như tiếng ồn từ động cơ Các nhà khoa học đã có những nghiên cứu cải tiến hệ thống nhiên liệu, bôi trơn, làm mát, vật liệu… đồng thời nghiên cứu thay đổi các thông số hình học của piston như biên dạng váy, độ lệch tâm chốt, lệch trọng tâm…

Và để tiếp cận nâng cao sự hiểu biết về lĩnh vực này em đã chọn và được Bộ

môn Kỹ thuật ô tô, Khoa cơ khí giao thực hiện đề tài “Nguyên cứu ảnh hưởng của kết cấu piston đến trạng thái bôi trơn, ma sát, tiếng gõ và góc phối khí của động cơ”

Sau một thời gian nỗ lực cố gắng tìm hiểu nghiên cứu, dịch thuật tài liệu, và đi thực tế gần ba tháng (Phụ lục 1) cùng với sự dẫn dắt của thầy hướng dẫn TS Lê Bá Khang, đến nay em đã hoàn thành cơ bản các nội dung của Đồ án tốt nghiệp

Mục đích của Đồ án

Phân tích sự ảnh hưởng của các thông số kết cấu của piston đến trạng thái bôi trơn, ma sát, tiếng ồn, hệ thống phân phối khí khi lắp sai piston có độ lệch ắc Qua đó góp phần nâng cao sự hiểu biết về động cơ đốt trong về mặt lý thuyết cũng như sử dụng thực tế cho sinh viên ngành Kỹ thuật ô tô

Nội dung của Đồ án được trình bày trong bốn chương:

Chương 1: Tổng quan về động cơ, ma sát, bôi trơn trong động cơ đốt trong

Chương 2: Động lực học nhóm piston thanh truyền khi nghiên cứu piston chuyển động phụ

Chương 3: Ảnh hưởng cấu tạo của piston đến trạng thái bôi trơn, ma sát, tiếng gõ và góc phối khí của động cơ

Chương 4: Kết luận và đề xuất

Điểm mới của đồ án

Khác với nhiều đề tài trước, đề tài này đã đi sâu vào nghiên cứu và trình bày: 1 Chuyển động phụ của piston trong xilanh động cơ;

2 Làm rõ trạng thái bôi trơn trong cặp tiếp xúc piston-xilanh động cơ;

3 Độ lệch tâm chốt, biên dạng váy, trọng tâm piston đến tiếng gõ, ma sát động cơ;

4 Ảnh hưởng của độ nhớt, màng dầu bôi trơn đến ma sát trong động cơ; 5 Ảnh hưởng của tốc độ đến chuyển động phụ, ma sát trong động cơ;

Các vấn đề này hiện tài liệu trong nước và quá trình học tập rất ít được đề cập Em hy vọng đề tài có thể góp phần vào sự nâng cao hiểu biết thêm của sinh viên về lĩnh vực động cơ đốt trong

Do kiến thức bản thân và thời gian có hạn nên đề tài khó tránh khỏi thiếu sót Kính mong Quý thầy cùng các bạn sinh viên góp ý để bổ xung đề tài được hoàn thiện hơn

Em chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Viết Hơn

1.2 CẤU TRÚC TỔNG QUÁT CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Tổng thành động cơ đốt trong được trình bày trên hình 1.1

Hình 1.1: Kết cấu động cơ xăng

Động cơ đốt trong bao gồm các cơ cấu và bộ phận chính sau:

1 Các bộ phận cố định 2 Cơ cấu truyền lực

3 Hệ thống trao đổi khí 4 Hệ thống nhiên liệu 5 Hệ thống bôi trơn 6 Hệ thống làm mát 7 Hệ thống khởi động

Sau đây xin đề cập một số cơ cấu bộ phận có liên quan mật thiết đến nội dung thực hiện Đồ án

1.2.1 Cơ cấu truyền lực

Cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu và bánh đà có tác dụng biến chuyển động tịnh tiến của Piston thành chuyển động quay của trục khuỷu và ngược lại [1]

Hình 1.2: Cơ cấu truyền lực

Piston còn có nhiệm vụ truyền nhiệt khí cháy qua vòng găng đến xylanh và truyền ra môi trường

Đối với động cơ hai kỳ piston có vai trò đóng mở cửa nạp, cửa xả Ngoài ra, piston cùng với vòng găng làm kín không gian công tác của động cơ đốt trong, đảm bảo khí không lọt xuống cacte và dầu bôi trơn lọt lên buồng đốt là ít nhất

Vì piston làm việc trong điều kiện rất phức tạp và khắc nghiệt nên yêu cầu piston: Phải chịu được ứng suất cơ và ứng suất nhiệt, không bị biến dạng, chịu được ma sát và mài mòn

Hệ số giãn nở vì nhiệt của piston phải nhỏ, truyền nhiệt nhanh, khe hở lắp ráp chính xác, đủ độ cứng, độ bóng

2) Thanh truyền

Thanh truyền có nhiệm vụ nhận lực khí cháy từ piston truyền cho trục khuỷu biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu Thanh truyền làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, chịu áp lực, chịu lắc và va đập, chịu ứng suất cơ lớn, chịu ăn mòn hoá học do dầu bôi trơn biến chất ở nhiệt độ cao, chịu mài mòn ở các ổ đỡ (bạc lót đầu trên, bạc lót đầu dưới) Thanh truyền phải có độ bền và tính tin cậy cần thiết

3) Trục khuỷu

Trục khuỷu là một trong những chi tiết máy quan trọng nhất của động cơ đốt trong, cường độ làm việc lớn nhất và giá thành cao nhất của động cơ đốt trong Công dụng của trục khuỷu là tiếp nhận lực tác dụng trên piston truyền qua thanh truyền và biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu để truyền công suất ra ngoài

Trong quá trình làm việc, trục khuỷu chịu tác dụng của lực khí cháy, lực quán tính Các lực tác dụng gây ra ứng suất uốn và xoắn trục, đồng thời còn gây ra hiện tượng dao động dọc và dao động xoắn, làm động cơ rung động và mất cân bằng Ngoài ra các lực nói trên còn gây ra hao mòn lớn trên các bề mặt ma sát của cổ chính và cổ biên

Tuổi thọ của động cơ chủ yếu phụ thuộc vào tuổi thọ của trục khuỷu vì vậy đối với kết cấu của trục khuỷu, phải chú ý đảm bảo các yêu cầu sau:

Hình 1.3: Cơ cấu phân phối khí VVT-I trong động cơ xăng V6 1GR-FE

Do vậy yêu cầu các xupáp phải đóng mở đúng thời điểm quy định Đối với động cơ 2 kỳ piston cũng phải đóng mở cửa nạp, cửa xả đúng thời điểm, các bộ phận truyền động của hệ thống phải hoạt động chính xác

Các xupap phải kín khít không để lọt khí để đảm bảo công suất động cơ và hiệu suất cao Việc nạp phải đầy nghĩa là hệ số nạp phải cao, việc xả phải sạch nghĩa là hệ số khí sót phải thấp

1.2.3 Hệ thống bôi trơn

Động cơ đốt trong được tạo nên từ các cơ cấu, mối ghép Vì vậy khi động cơ làm việc một số bộ phận có sự chuyển động tương đối với nhau Tại bề mặt tiếp xúc tương đối giữa chúng nảy sinh ma sát và hao mòn Từ đó người ta đưa chất bôi trơn vào bề mặt chịu ma sát, tạo ra môi trường có lợi cho ma sát và hao mòn Chất bôi

trơn thường dùng cho động cơ đốt trong là dầu, mỡ, graphit … chúng đóng vai trò là môi trường Chúng cho phép thay đổi loại ma sát và dạng hao mòn Như vậy,

chức năng của bôi trơn là điều khiển ma sát và hao mòn của máy

Hệ thống bôi trơn có nhiệm vụ đưa dầu bôi trơn đến các bề mặt ma sát giữa các chi tiết của động cơ, với một lượng cần thiết, áp suất và nhiệt độ nhất định phù hợp với các điều kiện làm việc của động cơ Hệ thống bôi trơn rất quan trọng, nó đảm bảo cho động cơ làm việc an toàn, tăng tuổi thọ cho động cơ với các mục đích : + Bôi trơn các bề mặt có chuyển động trượt giữa các chi tiết nhằm giảm ma sát + Rửa sạch bề mặt ma sát của các chi tiết

+ Bảo vệ bề mặt kim loại không bị ăn mòn

+ Dầu bôi trơn không được: tạo cặn ở cácte, két chứa, ở các chi tiết động và trong các đường ống, phải đảm bảo tính bôi trơn và không được tạo thành nhũ tương khi có nước lẫn vào không được tạo bọt

+ Dầu phải tuổi thọ cao và có giá thành phù hợp

Hệ thống bôi trơn phải đưa chất bôi trơn tới nơi cần bôi trơn một cách liên tục, đều đặn, với lưu lượng, trạng thái (áp suất, nhiệt độ) tính chất xác định

1.3 MA SÁT, BÔI TRƠN TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.3.1 Tổng quan ma sát bôi trơn trong động cơ đốt trong

Trong động cơ do điều kiện làm việc của các cơ cấu có khác nhau nên dẫn đến trạng thái ma sát-bôi trơn cũng khác nhau [6] Hình 1.4 thể hiện đặc điểm bôi trơn của các cơ cấu trong động cơ

Hình 1.4: Đường cong Stribeck

Với sự phát triển mạnh của các ngành vật liệu, công nghệ bề mặt, công nghệ chế tạo thì tổn thất cơ giới trong động cơ đốt trong có cụm piston vòng găng chuyển động tịnh tiến qua lại có thể giảm còn khoảng 15% [6] của tổng năng lượng sinh ra trong động cơ Tổn thất này có thể phân thành ba nguồn chính : ma sát trong cụm piston-xilanh, trục khuỷu, và các bơm Hình 1.5: biểu diễn sự phân bố các nhân tố tổn thất cơ giới trong động cơ

Hình 1.5: Phần trăm các thành phần của tổn thất cơ giới

Trong đó ma sát cụm piston vòng găng thanh truyền là lớn nhất và được phân bố theo hình 1.6

Hình 1.6: Thành phần tổn thất ma sát ở cụm piston vòng găng, thanh truyền

Vì ma sát trong hệ piston vòng găng nghiêm trọng nên việc giảm ma sát ở các bộ phận này có ý nghĩa lớn về hiệu suất, độ độc hại trong thành phần khí thải

Hệ piston-xilanh được trình bày trong hình 1.7 váy piston là khu vực bên dưới các vòng găng Váy piston được thiết kế để chống lực bên từ thanh truyền và dẫn hướng piston trong xilanh Váy piston thường có một màng dầu dày vì dầu vẫn còn nằm bên dưới vòng găng gạt dầu, trái ngược với váy piston vòng găng được phủ bởi một màngdầu rất mỏng

Hình 1.7: Hệ piston, xilanh, thanh truyền

Ma sát là lực cản trở, hình thành do sự tiếp xúc của hai bề mặt có chuyển động tương đối với nhau Trong động cơ mục đích thiết kế là giảm ma sát đến mức nhỏ nhất nhằm tăng hiệu suất và cải thiện tính kinh tế Để hiểu ma sát trong hệ piston xilanh các phương pháp bôi trơn phải được đề cập (hình 1.4)

Do sự thay đổi lượng dầu cung cấp giữa các vòng găng khác nhau trong suốt chu kì hoạt động của động cơ, ở mỗi vòng găng sẽ bắt gặp một kiểu bôi trơn khác nhau dọc theo suốt chiều dài xilanh Mặt khác, tải từ vòng găng tác dụng lên xilanh được cung cấp bởi sự tiếp xúc giữa các nhấp nhô trên hai bề mặt và điều kiện bôi trơn đó có thể là bôi trơn giới hạn hay hỗn hợp là phụ thuộc vào lượng dầu và tải tác động [8]

Hình 1.8: Điều kiện bôi trơn ở vòng găng

Điều kiện bôi trơn vòng găng được thể hiện trong hình 1.8 có độ nhám trên bề mặt tiếp xúc, và chắc chắn rằng các phần tử trên hai bề mặt có độ nhám tiếp xúc với nhau

Căn cứ vào đường danh nghĩa h(x) mà người ta phân loại thành ba kiểu bôi trơn: thủy động, giới hạn và hỗn hợp Hình 1.9 : Các kiểu bôi trơn trong hệ piston xilanh

Hình 1.9 : Các kiểu bôi trơn hình thành trong hệ piston xilanh

Bôi trơn thủy động (pure hydrodynamic lubrication) Bôi trơn hỗn hợp (Mixed lubrication)

Bôi trơn giới hạn (Pure boundary lubrication)

1) Bôi trơn thủy động

Trong bôi trơn thủy động, cần một lượng dầu đủ trên bề mặt tiếp xúc để phân tách hai bề mặt làm cho các mấp mô không tiếp xúc với nhau Hình 1.10 thể

hiện tiếp xúc của bề mặt váy piston với xilanh trong điều kiện bôi trơn thủy động

Hình 1.10: Bôi trơn thủy động giữa váy piston và xilanh Trong đó :

hi - chiều cao dầu ở đầu vào; he - chiều cao của dầu ở cửa ra ; hx - chiều cao màng dầu ở khoảng x ; h∞- chiều cao ban đầu

Nếu h(x) giảm thấp hơn giá trị chuẩn Bề mặt piston và xilanh không đảm bảo điều kiện bôi trơn thủy động

Thứ nhất tìm kiếm áp suất thủy động để tính toán lưu lượng của dầu bôi trơn Nó có thể được xác định bởi việc áp dụng phương trình Định luật Bảo toàn khối lượng và Định luật Bảo toàn động lượng (trong các dạng của phương trình Navier-Stokes) Phải đảm bảo sáu giả định sau thì toàn bộ các phương trình Navier-Stokes có thể giảm để có một hệ đơn giản hơn

1 Chiều cao màng dầu y<<x, z (độ cong màng có thể bỏ qua)

2 Bỏ qua áp suất biến đổi màng dầu => =0∂∂

3 Dòng chảy laminal (dòng chảy tầng)

4 Không có nội lực tác dụng lên màng dầu => X= Y= Z= 0

5 Quán tính dầu rất nhỏ so với sự trượt của lớp dầu bôi trơn (viscous shear) =>LHS có thể bỏ qua trong phương trình

Định luật bảo toàn động lượng (phương trình Navier-Stokes) viết theo các phương : phương x

22222

Phương y

(1.1)

Phương z

6 Tất cả gradient vận tốc được bỏ qua so với ,.

Phương trình lưu lượng :

µ (1.2) Áp suất phân phối trên piston có thể tính toán bởi áp dụng phương trình Định luật Bảo toàn khối lượng và Bảo toàn động lượng bởi một phần tử thủy lực bên dưới mặt tiếp xúc của váy-xilanh Sử dụng phương pháp điều kiện biên và giả thuyết rằng chất lỏng không nén được, hệ thống giảm thành phương trình 2-D của Reynolds Phương trình Reynold liên hệ với áp suất (p) chiều dày màng dầu (h), thông số : tốc độ piston (U) và độ nhớt (µ)

µ (1.3)

2) Bôi trơn giới hạn

Piston có thể được đỡ bởi bề mặt tiếp xúc trực tiếp với xilanh, hiện tượng này gọi là bôi trơn giới hạn Trong một mức độ vi mô, bôi trơn giới hạn là nguyên nhân bởi tiếp xúc mấp mô, bôi trơn giới hạn bắt nguồn từ tiếp xúc giữa nhiều mấp mô do sự biến đổi hình dạng màng dầu

Một mô hình thường được sử dụng để xác định ma sát trong bôi trơn giới hạn là một trong những đề xuất của Greenwood và Tripp Greenwood và Tripp đã bắt đầu thực hiện với một biểu thức cho áp suất tiếp xúc của hai bề mặt

pdKEzdzdz

c( ) ' ' ( )2,5φ( )

K

Trong các biểu thức trên pc là áp suất tiếp xúc danh nghĩa giữa các bề mặt, d là khoảng cách trung bình của hai bề mặt (tức là váy piston và lót xilanh)

η - mật độ độ nhám trên một đơn vị diện tích; β - mấp mô cao nhất hướng kính trên đường cong; β(z) - phân phối xác suất độ cao của mấp mô;

z - độ lệch giữa chiều cao trung bình mấp mô và chiều cao trung bình bề mặt Hơn thế nữa mô đun E’ của Young và độ lệch chuẩn của các chiều cao mấp mô (σ) được đưa vào các giá trị hỗn hợp khi E1, E2 và σ1, σ2 được thể hiện tương ứng các giá trị cho mô đun Young và độ lệch, độ nhám tiêu chuẩn cho mỗi bề mặt

= (1.5)

221 σσ

3) Bôi trơn hỗn hợp

Bôi trơn hỗn hợp bao gồm bôi trơn thủy động và giới hạn Nó là khu vực chuyển tiếp giữa bôi trơn thủy động và bôi trơn giới hạn, trong đó có áp suất đáng kể của dầu bôi trơn, nhưng nó không đủ để loại trừ sự tiếp xúc mấp mô giữa hai bề mặt Trong nhiều trường hợp giá trị ma sát thấp nhất đạt được khi hai bề mặt tiếp xúc được nằm trong bôi trơn hỗn hợp (đường cong Stribeck trong hình 1.11), vì điều này cung cấp sự cân bằng sự tối ưu giữa ma sát của thủy động và giới hạn

Trong khi hoạt động piston di chuyển kết thúc hành trình với vận tốc thấp, bôi trơn giới hạn và khi giữa xilanh với vận tốc cao, bôi trơn thủy động Nó trải qua nhiều lần ở chế độ bôi trơn hỗn hợp

Đường cong Stribeck

Mối quan hệ giữa ba trạng thái bôi trơn được cho bởi đường cong Stribeck (hình 1.11) ma sát giới hạn giảm phụ thuộc với tốc độ trượt, trong khi ma sát thủy động tăng với tốc độ trượt

Hình 1.11: Đường cong stribeck

1.3.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến ma sát, bôi trơn trong cặp tiếp xúc váy piston với xilanh

2) Ảnh hưởng của chiều dày màng dầu đến ma sát

Chiều dày màng dầu phụ thuộc vào sự cung cấp dầu, nó có ảnh hưởng trực tiếp đến ma sát Với một màng dầu mỏng sẽ làm cho váy dễ dàng tiếp xúc và cào lên thành xilanh dẫn đến trạng thái bôi trơn giới hạn Mặc khác với một màng dầu dày sẽ làm cho trạng thái bôi trơn là thủy động, khi đó lực thủy động tác động lên thành xilanh với một diện tích lớn hơn

3) Ảnh hưởng của khe hở piston-xilanh

Khe hở giữa piston và xilanh ở trạng thái lạnh là một kích thước thể hiện sự lắp chặt của piston vào xilanh Khe hở giữa piston và xilanh có ảnh hưởng đến chiều dày màng dầu, khi piston lắp chặt có nghĩa là khe hở nhỏ khi đó piston bị áp sát vào thành xilanh dẫn đến trạng thái bôi trơn giới hạn Do chiều dày màng dầu nhỏ và việc cấp dầu trở nên khó khăn hơn Khi tăng khe hở sẽ làm giảm được ma sát, nhưng nếu tiếp tục tăng vượt quá giới hạn cho phép thì sẽ xuất hiện tiếng gõ do sự thay đổi hướng của piston ở điểm chết trên cuối kì nén, sẽ làm gia tăng sự va đập

bên Như vậy khi piston-xilanh có khe hở lắp ráp lớn sẽ gia tăng đáng kể đến sự va đập ngang làm cho ma sát giới hạn tăng

4) Ảnh hưởng của điều kiện hoạt động đến ma sát, hao mòn

Hoạt động của động cơ hiện đại đa dạng theo tốc độ, điều kiện tải phụ thuộc vào mục đích sử dụng Trong điều kiện hoạt động của nhiều xe khách và xe tải lớn, tải và tốc độ thay đổi đáng kể có ảnh hưởng làm đa dạng điều kiện hoạt động

Cả tốc độ động cơ và tải ảnh hưởng tới ma sát giữa các vòng găng piston và xilanh

- Ảnh hưởng của tốc độ động cơ

Ảnh hưởng của tốc độ động cơ tới sự sinh ra ma sát giữa các vòng găng và xilanh có thể được thấy từ mối quan hệ (Phụ lục 2)

UF µ

(1.6)

Ta thấy lực ma sát thủy động F f tỉ lệ mạnh theo

µTổn thất năng lượng do ma sát:

Pf =U.Ff

Tổn thất năng lượng P tỉ lệ theo fU 2.µ 2

Chiều dày màng dầu h tỉ lệ theo

µTrong đó:

B- chiều rộng của vòng găng

Các biểu thức trên chỉ thích hợp cho trạng thái bôi trơn thủy động hoặc bôi trơn hỗn hợp

Khi tốc độ piston tăng, sẽ làm cho nhiệt độ xilanh tăng là nguyên nhân dẫn đến độ nhớt dầu bôi trơn giảm, do đó sẽ làm ảnh hưởng tới năng lượng tổn thất ma sát

- Ảnh hưởng của tải

Ảnh hưởng của tải động cơ đến hao mòn ít phức tạp hơn so với tốc độ Duy trì tốc độ động cơ không đổi khi tăng tải động cơ cần phải cung cấp không khí và nhiên liệu cho động cơ tăng, kết quả làm tăng áp suất trong xilanh

Ma sát sinh ra từ vòng găng piston chịu ảnh hưởng đáng kể bởi áp suất đạt được trong xilanh qua chu trình công tác

5) Ảnh hưởng của các thông số hình học cấu tạo piston

Các thông số hình học của piston có ảnh hưởng lớn đến trạng thái bôi trơn, ma sát trong cặp tiếp xúc piston-xilanh Những nhân tố này sẽ được trình bày chi tiết trong chương 3

Hầu hết hiện nay chúng ta đang sử dụng loại động cơ đốt trong cổ điển có cơ cấu truyền lực kiểu piston-thanh truyền-trục khuỷu, trong đó piston chuyển động tịnh tiến qua lại trong xylanh của động cơ Tuy nhiên, chuyển động của piston trong động cơ đốt trong cũng cần nghiên cứu và hiểu biết một cách đầy đủ hơn, đó là các chuyển động phụ (Secondary motion).

Theo nghiên cứu của nhiều nhà khoa học, chuyển động của piston nằm trong mặt phẳng thẳng đứng được gọi là chuyển động thứ nhất (Primary motion) và chuyển động thứ nhất này tạo ra công suất của động cơ

Trong thực tế giữa piston và xilanh có khe hở, có lực thành phần tác động theo phương ngang dẫn đến tồn tại chuyển động ngang và chuyển động quanh trục chốt piston, các chuyển động này được gọi là chuyển động phụ

Hình 2.1: Các thông số mô tả chuyển động phụ

Chuyển động phụ có ý nghĩa liên quan đến màng dầu bôi trơn, ma sát trong động cơ và tiếng gõ Và đối với piston có độ lệch ắc đang được sử dụng rất nhiều cho động cơ tốc độ cao, nếu lắp đặt không đúng sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự làm việc của động cơ như: tiếng gõ, ma sát, sự làm việc của hệ thống trao đổi khí

Do vậy nghiên cứu chuyển động phụ của piston và đặc điểm kết cấu của nó trong thiết kế, chế tạo và phát triển ngành động cơ là một vấn đề rất cần thiết

Lực bên (Lateral force) hình thành bởi lực quán tính và phản lực thanh truyền do lực khí thể tác dụng lên nó thông qua piston Khi lực khí thể tác động lớn nhất gần điểm chết trên có một sự thay đổi lớn của lực bên Sự đột biến này trùng với sự thay đổi chiều của lực, do sự thay đổi hướng của thanh truyền khi piston qua điểm chết trên

Sự thay đổi hướng này và việc gia tăng lực bên là nguyên nhân gây ra tiếng gõ Nó tăng gia tốc piston theo hướng về phía bên thành va đập củaxilanh

Hình 2.2 cho thấy sự va đập của piston khi ở điểm chết trên cuối kì nén lúc đầu piston tì sát vào bên phía phải của xilanh nhưng đến điểm chết trên (nén chuyển sang nổ) lực bên thay đổi hướng, đẩy piston va vào thành trái của xilanh gây ra tiếng ồn

Hình 2.2: Chuyển động ngang của piston

Hình 2.3: Lực bên từ chốt đến váy piston

Hình 2.3 thể hiện đường cong lực bên theo toàn bộ một chu trình công tác của động cơ, lực này được sinh ra do cả lực quán tính và phản lực thanh truyền

2.1.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến chuyển động phụ

Các nhân tố ảnh hưởng đến chuyển động phụ của piston trong xilanh được xác định có năm nhân tố chính

5) Khe hở lắp ráp, độ nhớt dầu bôi trơn 6) Thông số hình học

Chuyển động phụ của piston phụ thuộc lớn vào các thông số hình học: độ lệch ắc, độ lệch trọng tâm, biên dạng cong của váy Các nhân tố này được đề cập chi tiết trong chương 3

2.2 ĐỘNG LỰC HỌC PISTON

2.2.1 Phương trình cân bằng lực và mô men tác động lên piston

Hình 2.4: Lực và mô men tác động lên piston

Trong đó:

• a- khoảng cách từ đỉnh váy đến tâm chốt • b- khoảng cách từ đỉnh váy đến trọng tâm • lj- khoảng cách từ tâm chốt đến các vòng găng • R- bán kính xilanh

• mpiston- khối lượng piston • g- gia tốc trọng trường m/s2

1) Lực tác dụng lên piston:

• FT, FA- phản lực pháp tuyến do tiếp xúc piston-xilanh • FfA, FfT- lực ma sát giữa váy piston với xilanh

• Fl- lực tác dụng thanh truyền • Fg- lực khí thể

• FIC, FIP- lực quán tính theo phương ngang tác động lên chốt và trọng tâm của piston

• FIC ,FIP- lực quán tính tác động theo phương thẳng đứng lên chốt và trọng tâm

• FRj- lực ma sát ngang từ vòng găng tác dụng lên piston • FQj- lực dọc giữa piston và vòng găng

2) Mô men tác động lên chốt piston gồm có:

• MIP- mô men quán tính

• Mpp- mô men ma sát ở chốt piston

• MIC- mô men quán tính tác động lên trọng tâm piston

• Ngoài ra còn có mô men do các lực tác động lên như, mô men do lực ma sát, lực quán tính theo phương ngang, mô men do các vòng găng tác dụng

3) Phương trình cân bằng lực

Phương trình cân bằng lực theo phương-x

F φ (2.1)

Phương trình cân bằng lực theo phương-y

(2.3) Từ phương trình (2.1) ta có :

φ (2.5) Từ (2.4) và (2.5) ta có:

F φ (2.6) Trong đó Fs lực không làm ảnh hưởng vào tiếp xúc piston và xilanh

fAppIC

e Gia tốc tịnh tiến của tâm chốt và trọng tâm được xác định bằng cách đạo hàm

hai lần của chuyển vị theo phương ngang

Hình 2.5: Chuyển vị của piston theo phương ngang

Dựa vào phương pháp hình học ta có thể xác định gia tốc của tâm chốt, và trọng tâm theo gia tốc của đỉnh và váy piston

Ta có :

(2.8)

ec'' t'' b''− t''=−

(2.9)

Từ (2.8) và (2.9) có thể xác định được gia tốc của chốt và trọng tâm piston như sau :

p'' t'' (eb'' et'')

e =+− (2.10)

c'' t'' (eb'' et'')

e =+− (2.11)

Lực quán tính được xác định :

IPpp. p'' pp( t'' (eb'' et''))

F =−=−+− (2.12)

ICpis. c'' pis( t'' (eb'' et''))

M +=− (2.14)

2.2.2 Lực dọc và lực ma sát của vòng găng-piston, FQ, FR

1) Lực dọc piston : Đã được tính toán khi giả thuyết rằng hai bề mặt rắn tiếp

xúc giữa vòng găng và rãnh trên piston Fpr, Ffr và Fir tương ứng với áp lực do lực ma sát giữa cặp tiếp xúc vòng găng-xilanh và lực quán tính dọc trục của vòng găng.Phương trình chuyển động của vòng găng được viết theo [8] như sau :

F βµ (2.16) Trong đó :

Lr- chu vi của vòng găng

B- bề rộng vòng găng theo mặt cắt hướng kính

β- hệ số phụ thuộc vào diện tích của màng dầu trên váy piston Từ (2.15) và (2.16) ta có :

. +

m βµ (2.17)

2) Lực ma sát

FR1=µring−piston.FQ1 Trong đó :

µring-piston - hệ số ma sát giữa piston và vòng găng

2.2.3 Mô men ma sát

Mô men ma sát tại chốt được xác định:

Mpp =Sgn(Φ•).µp.Rp.F (2.18) Trong đó:

Rp- bán kính chốt piston F- lực tác dụng lên chốt

µp- hệ số ma sát giữa chốt và bệ chốt Sgn thay đổi theo độ nghiêng của piston

-Sgn(Φ•)=1 khi (Φ• >0) -Sgn(Φ•)=−1 khi (Φ• ≤0)

(2.19)

Trong đó:

Φ- độ nghiêng của piston

Váy được đỡ trên xilanh do tác dụng của bôi trơn thủy động, được cho bởi phương trình Reynolds trên cơ sở các nhân tố trung bình của dòng chất lỏng

- phụ thuộc vào biến dạng nhiệt, biến dạng đàn hồi và hình học của váy

Sử dụng điều kiện biên cho phương trình Reynolds, lực ngang do áp suất thủy động tác dụng được xác định:

FTh=R∫∫ATh.Ph(θ,y)cosθdθdy (2.21) Trong đó :

ATh- tổng diện tích đỡ bên va đập (bên trái của xilanh)

Khi khoảng cách giữa váy và xilanh đủ nhỏ, bôi trơn thủy động không có tác dụng, khi đó lực ma sát giới hạn của hai bề mặt tăng Áp suất tiếp xúc được xác định bằng cách tính toán áp suất pháp cho một mấp mô trên bề mặt, sau đó kết hợp cho toàn diện tích để tìm áp suất tổng, lực ma sát và mô men

Áp suất tiếp xúc trên một khu vực mấp mô pwvà biến dạng mấp mô δ được xác định :

FTc =R∫∫ATcpw(θ,y)cosθdθdy (2.22) Kết hợp từ lực thủy động và lực pháp, kết quả là xác định được lực cho bên phía va đập :

FT =FTh+FTc (2.23)

2.2.5 Ma sát váy-xilanh FfT, FfA, MfT, MfA

Lực và mô men ma sát gây bởi bôi trơn thủy động được cho bởi Zhue Cho

một độ nhám nhất định của váy và ứng suất trượt :

=− ∫∫APyddyU

FFTcTcw(θ,)µf θ (2.27)

MFTcTc. w(θ,)µf.cosθ θ (2.28) Kết hợp các nhân tố từ bôi trơn thủy động và ma sát giới hạn của hai mặt phẳng, kết quả xác định :

FFT =FFTh +FFTc (2.29) MFT =MFTh +MFTc

Trong đó :

MFTh- mô men ma sát thủy động MFTc- mô men ma sát giới hạn FFTh- lực ma sát thủy động

Để giảm tổn thất do ma sát các nhà khoa học quan tâm đến việc thiết kế khe hở trong cụm xilanh piston, đây là một vấn đề khó khăn Khi khe hở trong xilanh nhỏ sẽ ảnh hưởng đến việc hình thành màng dầu bôi trơn, động cơ ít phát ra tiếng ồn nhưng tổn thất năng lượng ma sát tăng Trong khi khe hở lớn sẽ làm giảm được tổn thất ma sát, màng dầu bôi trơn dễ được hình thành, tổn thất ma sát nhỏ nhưng lại gia tăng va đập piston vào thành xilanh gây ra gia tăng tiếng ồn

Trong phần nghiên cứu này em chú trọng vào kết cấu của piston Piston làm việc trong điều kiện áp suất, nhiệt độ cao, lại có sự thay đổi đột ngột vận tốc Vì vậy việc thiết kế piston là một trong những công việc quan trọng trong động cơ Sự thay đổi các thông số hình học của piston đã được nghiên cứu và thực tế sử dụng chứng minh là có ảnh hưởng lớn đến trạng thái bôi trơn, tiếng ồn, giảm mức độ độc hại do khí thải của động cơ, tăng hiệu suất, ngoài ra nó cũng ảnh hưởng đến góc phối khí khi lắp sai

Các thông số hình học của piston như : biên dạng váy (độ cong, bề mặt trên váy, và độ ovan của piston), độ lệch ắc, độ lệch trọng tâm của piston

Trong chương này sẽ trình bày chi tiết những ảnh hưởng của các thông số hình học của piston đến ma sát, tiếng gõ, trạng thái bôi trơn và ảnh hưởng đến góc phối khí của động cơ khi lắp sai

3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA LỆCH ẮC PISTON

3.2.1 Ảnh hưởng của độ lệch ắc piston đến chuyển động phụ của piston

Như đã đề cập trong chương 2 nguyên nhân gây ra tiếng gõ là do sự đổi hướng đột ngột của lực quán tính và phản lực từ thanh truyền tác động lên váy thông qua chốt piston [4]

Hình 3.1 thể hiện sự so sánh giữa piston không có độ lệch ắc cùng với piston có độ lệch ắc khi piston ở điểm chết trên (TDC) cuối kì nén

Hình 3.1: Piston không có độ lệch ắc (hình bên trái) và có độ lệch ắc (hình bên phải)

Nguyên nhân làm giảm va đập trong trường hợp lệch ắc về phía bên trái của piston được giải thích trong nghiên cứu của nhiều tác giả, đều thống nhất là khi piston di chuyển từ điểm chết dưới lên điểm chết trên trong kì nén, khi gần đến