3.1.1. Nhiệm vụ.
Nhiệm vụ quan trọng nhất hệ thống bôi trơn là cung cấp liên tục dầu nhờn cho các bề mặt tiếp xúc của các chi tiết có chuyển động tương đối với nhau trong động cơ đồng thời làm mát và tẩy rửa bề mặt ổ trục. Vì vậy chủng loại và tính năng hóa lý của dầu bôi trơn, lưu lượng và áp suất của dầu bôi trơn trong hệ thống bôi trơn là những vấn đề rất quan trọng ảnh hưởng rất lớn đến nhiệm vụ của hệ thống bôi trơn.
Dầu nhờn bôi trơn dùng cho động cơ đốt trong có bốn công dụng chính sau đây: Bôi trơn mặt ma sát, làm giảm công suất ma sát.
Khi bôi trơn bề mặt ma sát, dầu nhờn đóng vai trò như một chất đệm ngăn cách hai mặt ma sát không tiếp xúc trực tiếp với nhau, chính căn cứ vào tính chất vật lý này ta phân loại ma sát trượt của ổ trục thành các loại:
+ Ma sát khô ( xảy ra khi giữa hai bề mặt ma sát không có dầu nhờn, các mặt ma sát tiếp xúc trực tiếp với nhau).
Trang 50
+ Ma sát ướt (xảy ra khi giữa hai bề mặt ma sát có một lớp dầu bôi trơn, khiến trong quá trình chuyển động các mặt ma sát hoàn toàn không tiếp xúc trực tiếp với nhau). + Ma sát nửa khô hoặc nửa ướt (xảy ra khi màng dầu nhờn ngăn cách mặt ma sát bị phá hoại. Mặt ma sát tiếp xúc cục bộ ở những vùng màng dầu nhờn bị phá hoại ). + Ma sát tới hạn (Là trạng thái trung gian giữa ma sát khô và ma sát ướt. Khi xảy ra ma sát tới hạn, trên mặt ma sát tồn tại một màng dầu rất mỏng màng dầu này chịu tác dụng của lực phân tử của bề mặt kim loại nên bám chặt trên bề mặt kim loại và mất khả năng lưu động).
Hệ thống bôi trơn đảm bảo cung cấp dầu để các ổ trục làm việc ở trạng thái ma sát ướt. Hệ số ma sát thường nhỏ hơn hệ số ma sát khô từ hai đến năm lần. Ví dụ khi ở trạng thái ma sát ướt, hệ số ma sát ướt của thép với babít là 0,05 trong khi đó ở ma sát khô là 0,25. Hệ số ma sát của thép với đồng khi ma sát khô là 0,15 nhưng khi ma sát ướt đã giảm xuống 0,01.
- Làm mát ổ trục.
Sau một thời gian làm việc, công sinh ra từ quá trình cháy, do tổn thất ma sát sẽ chuyển thành nhiệt năng. Chính nhiệt năng này làm cho nhiệt độ của ổ trục tăng lên rất cao. Nếu không có dầu nhờn, các bề mặt ma sát nóng dần lên quá nhiệt độ giới hạn cho phép, sẽ làm nóng chảy các hợp kim chống mài mòn, bong tróc, cong vênh chi tiết... Dầu nhờn trong trường hợp này đóng vai trò làm mát ổ trục, tải nhiệt do ma sát sinh ra khỏi ổ trục, đảm bảo nhiệt độ làm việc bình thường của ổ trục.
- Tẩy rửa bề mặt ma sát.
Khi hai chi tiết kim loại ma sát với nhau, các mạt kim loại sẽ sinh ra trên các bề mặt ma sát, làm tăng mài mòn. Nhưng nhờ có lưu lượng dầu đi qua bề mặt ma sát đó, các mạt kim loại và cặn bẩn ở trên bề mặt được dầu mang đi, làm cho bề mặt sạch, giảm lượng mài mòn.
- Bao kín buồng cháy.
Do có lớp dầu giữa khe hở xylanh và piston, giữa xéc măng và rãnh xéc măng nên giảm được khả năng lọt khí xuống các-te. Ngoài bốn nhiệm vụ trên, dầu nhờn còn có tác dụng như lớp bảo vệ chống ăn mòn hoá học.
Trang 51
3.1.2. Yêu cầu.
- Để đảm bảo động cơ làm việc ổn định, tất cả các cụm chi tiết đều phải đảm bảo cần được bôi trơn đáp ứng yêu cầu nhất định về chế độ hoạt động, có các bề mặt ma sát cần được bôi trơn ở xa đường dầu chính vì vậy đòi hỏi hệ thống bôi trơn phải cung cấp đủ dầu đến các bề mặt làm việc của chi tiết động cơ.
- Dầu bôi trơn trong động cơ làm việc luôn ở trạng thái thay đổi về nhiệt, vì vậy để đáp ứng được yêu cầu của các bề mặt làm việc của các chi tiết, chất lượng dầu bôi trơn phải đảm bảo ở trạng thái tốt nhất. Nếu chất lượng dầu không tốt sẽ gây cản trở quá trình hình thành màng dầu giữa các bề mặt ma sát.
- Tổn thất dầu bôi trơn là nhỏ nhất. Để đáp ứng được yêu cầu này các cơ cấu, bộ phận như là: bơm dầu phải đáp ứng cung cấp đủ lượng dầu với áp suất cần thiết để đi bôi trơn các mặt ma sát, các bộ phận như két làm mát, lọc dầu đảm bảo gây trở lực cho dầu với mức thấp nhất, đường ống dẫn dầu không bị rò rỉ.
3.2. Sơ đồ và nguyên lý.
- Hệ thống bôi trơn các loại động cơ đốt trong ngày nay hầu hết dùng phương án bôi trơn cưỡng bức do dầu nhờn trong hệ thống bôi trơn được bơm dầu đẩy đến các bề mặt ma sát dưới một áp suất nhất định nên có thể đảm bảo yêu cầu bôi trơn, làm mát và tẩy rửa mặt ma sát của ổ trục. Hệ thống bôi trơn cácte ướt thường dùng trên động cơ ôtô làm việc trong địa hình tương đối bằng phẳng (vì ở loại này khi động cơ làm việc ở độ nghiêng lớn, dầu nhờn dồn về một phía khiến phao hút dầu bị hẫng). - Sơ đồ hệ thống bôi trơn cưỡng bức các te ướt:
Trang 52 Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống bôi trơn cácte ướt
1- Các-te dầu; 2- Đồng hồ đo nhiệt độ dầu; 3- Lưới lọc dầu; 4- Bơm dầu; 5- Trục khuỷu; 6- Xích truyền động trục cam; 7- Thanh truyền; 8- Vòi phun dầu; 9- Thiết bị
kéo căng xích; 10- Piston; 11- Xupap; 12- Van điều khiển đường dầu; 13- Bộ điều chỉnh VVT-i; 14- Trục cam; 15- Đồng hồ đo áp suất; 16- Đường dầu chính; 17- Van
điều chỉnh lưu lượng dầu; 18- Két làm mát; 19- Bộ lọc tinh.
- Nguyên lý làm việc: Bơm dầu (4) hút nhớt từ cacte (1) qua lưới lọc thô (3) để cung cấp cho hệ thống. Nhớt từ bơm sẻ đi đến lọc tinh (19). Sau khi lọc sạch, nhớt sẽ được cung cấp đến mạch dầu chính (16) ở thân máy. Nhớt từ mạch dầu chính sẽ được phân phối đến: cổ trục khuỷu, nắp quy lát. Từ cổ trục khuỷu, nhớt sẽ đến làm trơn các chốt khuỷu. Từ nắp quy lát, nhớt sẽ đến làm trơn các cổ trục cam; và đến van điều khiển nhớt (12) của bộ điều khiển VVT-i. Ngoài ra từ mạch dầu chính, nhớt còn được đưa
Trang 53
đến bôi trơn xích cam, bộ tăng xích (9). Sau khi bôi trơn xong, nhớt sẽ được đưa trở lại cacte.
Ngoài việc bôi trơn các bộ phận trên, để bôi trơn các bề mặt làm việc của xilanh, piston...người ta kết hợp tận dụng dầu vung ra khỏi ổ đầu to thanh truyền trong quá trình làm việc ở một số ít động cơ, trên đầu to thanh truyền khoan một lỗ nhỏ để phun dầu về phía trục cam tăng chất lượng bôi trơn cho trục cam và xilanh.
- Ưu điểm: Cung cấp khá đầy đủ dầu bôi trơn cả về số lượng và chất lượng, độ tin cậy làm việc của hệ thống bôi trơn tương đối cao.
- Nhược điểm: Do dùng cácte ướt (chứa dầu trong cácte ) nên khi động cơ làm việc ở độ nghiêng lớn, dầu nhờn dồn về một phía khiến phao hút dầu bị hẫng. Vì vậy lưu lượng dầu cung cấp sẽ không đảm bảo đúng yêu cầu.
3.3. Tính toán các thông số cơ bản của hệ thống. 3.3.1. Tính toán thiết kế bơm dầu: 3.3.1. Tính toán thiết kế bơm dầu:
- Trong hệ thống bôi trơn động cơ XZ4-0621 lựa chọn sử dụng bơm bánh răng ăn khớp trong vì:
+ Động cơ này lắp trên xe du lịch nên yêu cầu các chi tiết nhỏ gọn và bơm dầu cũng vậy.
+ Mặc dù bơm bánh răng ăn khớp trong đắt hơn song lại làm việc tin cậy hơn. - Việc tính toán bơm dầu nhằm mục đích xác định các thông số cơ bản của bơm: + Lưu lượng bơm dầu Vb
+ Các thông số về bánh răng chủ động và bị động của bơm: mođun, số vòng quay,chiều dày bánh răng, đường kính vòng đỉnh, chân răng...
+ Áp suất đầu vào, đầu ra của bơm: Pv, Pr + Công suất bơm: Nb
Để xác định được các thông số, kích cơ bản trên của bơm dầu bôi trơn, ta phải xác định được lưu lượng dầu bôi trơn cần thiết để bôi trơn các bề mặt ma sát Vd, từ đó xác định được lưu lượng của bơm dầu cần cung cấp Vb
Từ lưu lượng của bơm ta sử dụng các công thức tính liên quan để xác định các kích thước chi tiết của bơm.
Trang 54 Hình 3.2: Kết cấu bơm bánh răng ăn khớp trong
1- Bánh răng chủ động; 2- Bánh răng bị động; 3- Đường dầu vào 4- Xẹc lip; 5- Van an toàn; 6- Đường dầu ra.
3.3.1.1. Lượng nhiệt dầu mang đi.
Lưu lượng dầu dùng để bôi trơn các bề mặt ma sát được xác định bằng phương pháp cân bằng nhiệt của động cơ theo tài liệu [2], vì nhiệt lượng do dầu nhờn tải đi phụ thuộc nhiều vào trạng thái nhiệt của ổ trục và tổng nhiệt lượng do nhiên liệu cháy trong xilanh sinh ra Qt
Theo số liệu thực nghiệm, đối với các loại động cơ đốt trong ngày nay, nhiệt lượng do dầu đem đi Qd thường chiếm khoảng 1,5÷2% tổng nhiệt lượng do nhiên liệu cháy trong xylanh sinh ra Qt. Vì vậy có thể xác định Qd theo công thức sau:
Qd = (0,0150,02). Qt [kcal/h] (3-1),[2] Chọn Qd = 0,016Qt
Qt : Lượng nhiệt do nhiên liệu cháy sinh ra trong quá trình cháy trong 1 giờ phụ thuộc vào công suất động cơ Ne và hiệu suất của động cơ ηe được xác định theo phương trình sau: Qt = e e N . 632 [kcal/h] (3-2),[2]
Trang 55
Với ηe – Hiệu suất có ích của động cơ đốt trong: ηe = (0,25 ÷ 0,35), Chọn ηe = 0,32
Suy ra: Qd = , . .
. = 2212 [kcal/h]
3.3.1.2. Lượng dầu cần thiết để bôi trơn các bề mặt ma sát.
Lưu lượng dầu cần thiết để bôi trơn các bề mặt ma sát phụ thuộc vào nhiệt lượng do
dầu bôi trơn mang đi Qd, khối lượng riêng của dầu bôi trơn , và tỷ nhiệt của dầu Cd,
và được xác định thông qua công thức sau: Vd = t C Q d d . . [l/h] (3-3), [2] = , . , . = 346,98 [l/h]
Với: t = (1015) [oC] : Khoảng chênh nhiệt độ [2] Cd = 0,5 [kcal/kgoC] : Tỷ nhiệt của dầu [2]
y 0,85 [kg/l] : Khối lượng riêng của dầu [2] 3.3.1.3. Xác định lưu lượng của bơm dầu.
Để đảm bảo cung cấp lượng dầu bôi trơn tới các bề mặt ma sát nói trên thì bơm dầu cần phải cung cấp một lưu lượng Vb’ dầu lớn gấp vài lần. Do đó lưu lượng Vb’ [lít/h] của bơm dầu được xác định theo công thức kinh nghiệm:
Vb’= (2÷3,5).Vd (3-4), [2] Đối với động cơ diezel: Vb’=( 20÷40)Ne [2] Đối với động cơ xăng: Vb’ =(14÷20)Ne [2] Vì động cơ thiết kế là động cơ xăng, nên ta chọn: Vb’=20.Ne [lít/h]
V’b = (14÷20)Ne = 20.70= 1400 [lít/h]
Lưu lượng dầu bôi trơn do bơm cung cấp Vb’ phụ thuộc vào lượng lý thuyết của bơm Vb và hiệu suất thủy lực của bơm theo công thức: Vb’= .Vb , vì vậy Vb được xác định :
Trang 56 Q b b V V ' [lít/h] (3-5), [2]
Vì ta sử dụng bơm bánh răng nên bơm có hiệu suất thủy lực là: Q= 0,7÷0,8 [2]
Ta chọn Q = 0,7. Vậy lưu lượng lý thuyết của bơm là:
𝑉 = =
, = 2000 [𝑙/ℎ] (3-6) 3.3.1.4. Xác định kích thước bơm dầu.
Gồm các thông số: mođun bánh răng: m, số vòng quay bánh răng chủ động: n, chiều dày bánh răng: b, đường kính vòng tròn lăn: Do, đường kính vòng đỉnh răng: De, chiều cao răng:h, đường kính chân răng: Dc, áp suất đầu ra bơm: pr, áp suất đầu vào bơm: Pv, công suất bơm: Nb
Sau khi xác định được lưu lượng lý thuyết của bơm Vb và các thông số tính toán ở trên ta thiết kế sao cho kích thước bơm là nhỏ nhất mà đảm bảo lưu lượng dầu cần thiết cung cấp cho các bề mặt ma sát , Vb của bơm phụ thuộc vào các thông số chi tiết như: mođun, số vòng quay, chiều dày, và số răng của bánh răng chủ động, xác định theo công thức sau:
Vb = 2. . m z b n2. . . .60.106 [l/h] (3-7), [2]
Trong đó:
+ m: mođun của bánh răng
+ n: số vòng quay của bánh răng chủ động, n = 4728 [vg/ph]
+ b: chiều dày bánh răng: b= 𝑏.m.z, [8], vì áp suất bơm bánh răng trong nghành chế
tạo máy, ôtô vào khoảng: P= (10-30)at, nên theo tài liệu [8] ta chọn: 𝑏 = 0,65.
+ z: số răng của bánh răng chủ động z1=(8÷12). Chọn z1 = 10 răng, z2=11 răng Mặc khác công thức (4-7) ở trên có thể viết lại như sau:
Vb = 2. . m z b2. . . .m nz. .60.106 [l/h] (3-8)
Vb = 2..m3.z2.n.𝑏.60.10-6
=> m =
. , . . . , . . = 2,6 𝑚𝑚
Trang 57 3.3.1.4.1. Xác định kích thước bánh răng chủ động. Đường kính vòng tròn lăn: D1 = 3.z = 3.10 = 30 [mm] Đường kính vòng đỉnh răng: Da1 = D1 +2m = 30 + 2.3 = 36 [mm] Chiều cao răng: h1 = 2,5.m = 2,5.3 = 7,5 [mm] Đường kính chân răng:
Df1 = Da1 – 2,5.m = 36 – 2,5.3 = 28,5 [mm] 3.3.1.4.2. Xác định kích thước bánh răng bị động. Đường kính vòng tròn lăn: D2 = 3.z2 = 3.11 = 33 [mm] Đường kính vòng đỉnh răng: Da2 = D2 - 2m = 33 - 2.3 = 27 [mm] Đường kính chân răng:
Df2 = Da2 + 2,5.m = 33 + 2,5.3 = 40,5 [mm] 3.3.1.5. Xác định công suất dẫn động bơm dầu.
Lưu lượng của bơm phụ thuộc nhiều vào công suất bơm, nhưng công suất bơm dầu lại thay đổi theo các thông số: lưu lượng lý thuyết bơm Vb, áp suất đầu ra của
bơm: Pra, áp suất đầu vào: Pv, và hiệu suất cơ giới: m
công suất dẫn động bơm có thể được tính theo công thức sau:
𝑁𝑏 = . Vb(Pr − Pv). ( HP) (3-9), [2]
Trong đó:
m: hiệu suất cơ giới của bơm dầu dầu nhờn khi xét đến tổn thất ma sát và thủy động
có thể lấy: m = 0,85 0,9, chọn: m = 0,85 [2] Pr: áp suất đầu ra, chọn pr= 4 kg/cm2 [2] Pv: áp suất đầu vào, chọn pv=1,03 kg/cm2 [2] Vb= 2000 (l/h)
Trang 58
Nb =
, . . 2000(4 − 1,03) = 0,26 (HP) =0,193 (kw) 3.3.2. Tính lọc dầu.
3.3.2.1. Phân tích chọn loại bầu lọc
Thiết bị lọc dầu của các loại động cơ đốt trong ngày nay có thể chia ra làm 5 loại chính:
- Bầu lọc cơ khí: dùng các phần tử lọc cơ khí, loại này hiện nay ít dùng.
- Bầu lọc thấm: bầu lọc thấm hiện nay được dùng hết sức rộng rãi, nguyên lý làm việc của bầu lọc thấm cụ thể như sau: Dầu nhờn có áp suất cao thấm qua các khe hở
nhỏ( khe hở có thể nhỏ đến 0,1m) của phần tử lọc. Do đó các phần tử có đường kính
lớn hơn kích thước khe hở bị giữ lại vì vậy dầu nhờn được lọc sạch
Bầu lọc thấm hiện nay thường dùng các loại lõi lọc bằng: kim loại, giấy, len dạ, hàng dệt
Ưu điểm của bầu lọc thấm là khả năng lọc rất tốt, lọc sạch. Nhưng nhược điểm là kết cấu phức tạp và thời gian sử dụng ngắn
- Bầu lọc ly tâm: trong những năm gần đây, bầu lọc ly tâm được dùng rộng rãi vì chúng có những ưu điểm sau:
+ Do không dùng lõi lọc nên khi bảo dưỡng không cần thay thế phần tử lọc + Tính năng lọc ít phụ thuộc vào mức độ cặn bẩn lắng đọng trong bầu lọc + khả năng lọc tốt hơn nhiều so với loại lọc thấm dùng lõi lọc
- Lọc từ tính: lọc từ tính chủ yếu dùng để lọc mạt sắt trong dầu nhờn, loại lọc này thường dùng một thanh nam châm lắp trên nút dầu ở đáy cacte, do hiệu quả rất cao nên hiện nay được dùng rất rộng rãi
- Lọc hóa chất: loại này chủ yếu dùng hóa chất như cácbon hoạt tính, phèn chua để hấp thu tạp chất, hiện nay hầu như không dùng loại này nữa
Qua tham phân tích ưu nhược điểm các loại bầu lọc trên, ta chọn bầu lọc toàn phần loại lọc thấm dùng lõi kim làm nhiệm vụ lọc thô và lọc tinh vì có nhiều ưu điểm sử