III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ ĐỘNG CƠ X1V4-0316
4. Tính toán các thông số cơ bản của cơ cấu phân phối khí
4.1. Xác định kích thước của tiết diện lưu thông
Tiết diện lưu thông của xupáp ảnh hưởng đến chất lượng nạp thải của động cơ. Vì vậy khi thiết kế cần tăng đường kính xupáp càng lớn càng tốt nhưng bị hạn chế bởi đường kính xilanh, Diện tích mặt nấm xupáp của các động cơ hiện nay thường chiếm khoảng 25-40% diện tích đỉnh pittông, tuy vậy trong động cơ xăng dùng buồng cháy bán cầu hoặc chõm cầu, xupáp bố trí nghiêng hai bên nên diện tích xupáp lớn đến 35% diện tích đỉnh pittông. Ở động cơ dùng nhiều xupáp cho một xilanh (4 xupáp) thì diện tích này mới tăng được 40% so với diện tích đỉnh pittông. Diện tích xupáp nạp thường lớn hơn diện tích xupáp thải khoảng 10 15% và thường bằng 15 35% diện tích đỉnh pittông.
Khi tính toán tiết diện lưu thông của xupáp phải dựa vào giả thiết lưu động ổn định của dòng khí khi đi qua họng đế xupáp. Ta coi dòng khí nạp hoặc thải có tốc độ bình quân và tốc độ của piston không đổi.
Căn cứ vào điều kiện lưu động ổn định và liên tục của dòng khí, ta
77
vk.i.fk.γk =vp.Fp.γp (4 – 1).
etTrong đó: vk - Tốc độ trung bình của dòng khí qua họng đế xupáp (m/s).
fk - Tiết diện lưu thông của họng đế xupáp (cm2).
4 . h2
k
f =πd
dh - Đường kính họng đế xupáp i - Số xupáp
γk và γp- mật độ của dòng khí ở họng xupáp và ở trong xilanh, coiγk= γp. vp - Tốc độ bình quân của pittông.
Từ công thức (4 – 1) ta có:
i f
F v v
k p p
k .
= .
(4 – 2)
Với 15,25
30 10 . 5260 . 87 30
. = 3 =
= Sn −
vp (m/s).
Và 42,98
4 4 , 7 . 14 , 3 4
4 , 7 . 4
. 2 = 2 = 2 =
=π D π
Fp (cm2)
S – Hành trình pittông. S = 87(mm).
n – Số vòng quay trục khuỷu. n = 5260 (vòng/phút) D – Đường kính xilanh. D = 74 (mm).
Từ (4 – 2) ta rút ra tốc độ bình quân của dòng khí qua họng đế xupáp.
2 2
. .
h p
k id
D v =v
(4 – 3)
Đường kính họng đế xupáp: v i
D d v
k p
h .
. 2
= (4– 4)
Tốc độ bình quân của dòng khí thải thường lớn hơn dòng khí nạp khoảng 20 ÷ 50%.
Do đó xupáp thải làm nhỏ hơn xupáp nạp. Vì vậy mặt nấm của xupáp thải có độ cứng vững lớn, khó biến dạng và diện tích chịu nhiệt nhỏ hơn.
h'
45° dh
h
d1
dh
Hình 4-1 Tiết diện lưu thông qua xupáp.
Tiết diện lưu thông fkx qua xupáp (tiết diện vành khăn) được xác định theo công thức:
) 2 (
.
1 '
d h d
fkx = π h + (4 – 5)
Với: d1 = dh + 2.e ; h’ = h.cosα
; e = h’.sinα
Thay vào (4 – 5) ta được:
fkx = π.h.(dh.cosα + h.sinα .cos2α ).
(4 – 6)
Rõ ràng fkx phụ thuộc vào α và h, khi α càng nhỏ tiết diện lưu thông càng lớn. Hành trình h càng lớn fkx càng lớn. Tuy vậy hành trình h bị hạn chế bởi tiết diện của họng đế xupáp, tiết diện lưu thông không thể lớn hơn tiết diện họng đế xupáp.
Khi α = 00 , thì fkx = 4
. . .
2 h n
h d
d π
π ≤
và hành trình xupáp hmax = dh /4
79
Khi α = 450 thì hành trình xupáp phải lớn hơn mới có thể đạt được điều kiện tiết diện lưu thông bằng tiết diện họng đế xupáp. Trong động cơ ngày nay, hành trình xupáp nằm trong phạm vi: h = (0,18 ÷ 0,3) dh
* Tiết diện lưu thông qua xupáp nạp:
Theo thực nghiệm và tính toán nhiệt tốc độ của dòng khí nạp được chọn:
vkn = (40 ÷ 115) (m/s) chọn vkn = 60 (m/s) Số xupáp nạp i = 2.
Từ (4 – 4) suy ra đường kính họng nạp:
dhn = 26,38 2
. 60
74 . 25 ,
15 2 = (mm)
Chọn h = 0,27 dhn = 0,27.26,38 = 7,12 (mm) Góc côn của nấm xupáp nạp: α = 450 Từ (4 – 6) ta có:
fkx = π.7,12.(26,38.cos450 + 7,12.sin450.cos2450) = 473,3 (mm2).
Kiểm nghiệm lại tiết diện lưu thông thực của xupáp nạp theo (4 – 2).
vkn = vp. kx
p
f i
F
. = 15,25. −2 =
10 . 3 , 473 . 2
98 , 42
69,24 (m/s).
vkn ≤ (70 ÷ 90) (m/s). Vậy vkn thỏa mãn điều kiện.
* Tiết diện lưu thông qua xupáp thải:
Theo thực nghiệm và tính toán nhiệt tốc độ của dòng khí thải được chọn:
vkt = (1,2 ÷ 1,5) vkn = 1,2.69,24= 83,064 (m/s) Số xupáp thải i = 2.
Từ (4 – 4) suy ra đường kính họng thải:
dht = 22,42 2
. 064 , 83
74 . 25 ,
15 2 = (mm)
Chọn h = 0,3 dht = 0,3.24,5 = 7,35 (mm) Góc côn của nấm xupáp thải: α = 450 Từ (4– 6) ta có:
fkx = π.7,35.(22,42.cos450 + 7,35.sin450.cos2450) = 425,85 (mm2).
Kiểm nghiệm lại tiết diện lưu thông thực của xupáp thải theo (4 – 2).
vkt = vp. kx
p
f i
F
. = 15,25.2.425,85.10−2 = 98 , 42
5,04 (m/s).
vkt < (70 ÷ 90) (m/s). Vậy vkt thỏa mãn điều kiện.
4.2. Phân tích chọn dạng cam:
4.2.1. Yêu cầu:
Khi chọn dạng cam, cần phải xét các điểm sau:
* Dạng cam phải đảm bảo cơ cấu phối khí có trị số “thời gian – tiết diện” lớn nhất nghĩa là khả năng lưu thông dòng khí lớn nhất. Vì vậy cam phải mở xupáp thật nhanh, giữ cho xupáp mở ở vị trí lớn nhất thật lâu và khi đóng thì đóng thật nhanh xupáp.
* Dạng cam phải thích hợp để giai đoạn mở và đóng xupáp có gia tốc và vận tốc nhỏ nhất. Do đó cơ cấu phân phối khí làm việc êm, ít va đập và hao mòn.
* Dạng cam phải đơn giản, dễ chế tạo.
Trên cơ sở đảm bảo 3 yêu cầu trên, động cơ ta thiết kế dùng loại cam lồi.
4.2.2. Phương pháp thiết kế cam:
Cam của động cơ được ta chọn là loại cam thiết kế trên cơ sở định sẵn dạng cam. Với phương pháp này, mặt cam là tập hợp của những cung tròn, cung parabol hoặc đường thẳng.v.v. để dễ gia công. Sau đó căn cứ vào quy luật nâng đã định, đạo hàm hai lần với góc quay của trục cam để tìm quy luật gia tốc rồi kiểm tra xem có phù hợp với yêu cầu về gia tốc của cơ cấu phân phối khí hay không.
Theo phương pháp này có ưu điểm là đảm bảo tính công nghệ gia công trục cam được đơn giản. Ngoài ra khi thiết kế theo phương pháp này sẽ phù hợp cho động cơ có tốc độ thấp và trung bình.
Loại cam lồi cung tròn có trị số thời gian – tiết diện lớn nhất. Tuy vậy loại cam lồi này có gia tốc dương lớn nhất do đó cơ cấu phối khí khi làm việc va đập rất mạnh. Trong giai đoạn đóng mở xupáp, lực quán tính tác dụng lên mặt cam có trị số rất lớn. Vì vậy trị số cho phép của gia tốc dương phụ thuộc vào độ cứng của bề mặt tiếp xúc của cam với con đội và độ cứng vững của trục cam cũng như khả năng chịu tải của ổ trục cam.
Trị số cho phép của gia tốc âm, phụ thuộc vào khả năng làm việc của lò xo. Để giảm kích thước của lò xo và giảm phụ tải tác dụng lên lò xo, thường phải khống chế trị số tuyệt đối của gia tốc âm ở phạm vi nhỏ nhất.
81
Từ quan điểm trên ta thấy dạng cam lồi có trị số tuyệt đối của gia tốc âm nhỏ nhất nên kích thước của lò xo xupáp nhỏ nhất. Để khắc phục nhược điểm gia tốc dương quá lớn của dạng cam lồi có thể dùng các biện pháp công nghệ và thiết kế để tăng độ cứng bề mặt và độ cứng vững của trục cam.