VII. Giới thiệu động cơ Wankel và động cơ tuabin
I.2. Thân máy
Trong động cơ đốt trong, thân máy là chi tiết cĩ kết cấu khá phức tạp, cĩ kích thước và khối lượng lớn. Đối với động cơ ơ tơ, khối lượng của thân máy thường chiếm khoảng 30 – 60% khối lượng tồn bộ động cơ.
Hình 3.1. Kết cấu thân máy. I.2.1. Nhiệm vụ
Thân máy kết hợp với các chi tiết khác (xylanh, nắp xylanh, piston,...) hình thành khơng gian cơng tác của mơi chất, thực hiện các quá trình nạp, nén, cháy – giãn nở và thải sản sản vật cháy ra khỏi động cơ tạo nên chu trình làm việc liên tục.
Trong quá trình làm việc, thân máy đĩng vai trị truyền nhiệt giữa mơi chất cơng tác và mơi trường để làm mát động cơ.
Thân máy là chi tiết bố trí các đường dầu bơi trơn để dẫn dầu đến ổ trục khuỷu, ổ trục cam,... Làm thành một khung chịu lực, trên đĩ bố trí các ổ trục khuỷu, các cơ cấu và các hệ thống của động cơ.
I.2.2. Kết cấu thân máy động cơ xăng – động cơ Diesel
Thân máy của động cơ xăng và động cơ Diesel tương tự nhau về mặt kết cấu, tùy thuộc vào cơ cấu phân phối khí và hệ thống làm mát mà thân máy cĩ những đặc điểm cấu tạo khác nhau. Tuy nhiên, về cơ bản kết cấu thân máy của động cơ đốt trong được phân ra thành 2 loại: thân máy kiểu thân xylanh – hộp trục khuỷu và thân máy kiểu thân rời.
a) Thân máy kiểu thân xylanh – hộp trục khuỷu
Loại thân máy kiểu thân xylanh – hộp trục khuỷu được dùng rất phổ biến trong động cơ ơ tơ, động cơ tĩnh tại và động cơ tàu thủy cỡ nhỏ. Các xylanh được đúc liền với thân hoặc làm thành ống lĩt rồi lắp lên thân, chung quanh thân máy đều cĩ nước làm mát để giải nhiệt trong quá trình động cơ làm việc. Kết cấu này dùng cho cả động cơ xăng và động cơ Diesel.
Do thân máy đúc liền với hộp trục khuỷu nên giảm bớt được mặt lắp ghép khiến cho gia cơng đơn giản và ở mặt lắp thân máy với hộp trục khuỷu chỉ cần làm mỏng như chiều của vỏ thân, khơng cần làm mặt lắp ghép. Do những nguyên nhân trên nên thân máy này thường nhỏ gọn và đỡ tốn kim loại hơn loại thân rời.
Dựa vào tình trạng chịu lực, thân máy kiểu thân xylanh – hộp trục khuỷu được chia ra ba loại:
Thân xylanh chịu lực:
Trong loại kết cấu này, lực khí thể tác dụng trên nắp xylanh sẽ truyền cho thân xylanh qua các gujơng nắp xylanh. Lực tác dụng gây ra ứng suất kéo trên các tiết diện của thân xylanh, thân máy của động cơ xăng thường dùng kiểu chịu lực này (hình 3.2).
Vỏ thân chịu lực:
Trong loại kết cấu này, lực khí thể tác dụng lên nắp xylanh sẽ truyền cho vỏ thân qua các gujơng nắp xylanh. Lực tác dụng gây ứng sức kéo trên các tiết diện của vỏ thân vuơng gĩc với đường tâm xylanh.
Do trong loại thân máy này, xylanh được chế tạo riêng dưới dạng ống lĩt rồi lắp vào vỏ thân, nên ống lĩt khơng chịu ứng suất kéo trên phương đường tâm xylanh. Khi các lĩt xylanh mịn, cĩ thể tháo ra thay mới. Nắp xylanh lắp trên thân máy bằng các gujơng cấy trên vỏ thân máy (hình 3.3).
Gujơng chịu lực
Trong kết cấu này lực tác dụng này truyền cho các gujơng liên kết nắp xylanh, thân máy –
hộp trục khuỷu với đế máy. Các gujơng này khá dài và chịu lực kéo, cịn thân xylanh trong trường hợp này khơng chịu lực kéo gây ra bởi lực khí thể. Thân máy kiểu thân xylanh – hộp trục khuỷu cĩ thể dùng lĩt xylanh ứơt, lĩt xylanh khơ hoặc khơng cĩ lĩt xylanh (hình 3.4).
b) Thân máy kiểu thân rời
Do thân máy kiểu xylanh – hộp trục khuỷu chế tạo rất khĩ, nhất là đối với các loại động cơ cĩ đường kính xylanh lớn. Vì vậy người ta thường chế tạo theo kiểu thân rời để thuận tiện trong gia cơng và chế tạo. Kết cấu này thường dùng trong các động cơ tĩnh tại, tàu thủy và động cơ ơtơ máy kéo cĩ cơng suất lớn.
Thân máy cĩ thể làm riêng từng xylanh một (động cơ làm mát bằng khơng khí) hay làm cho nhiều xylanh (động cơ làm mát bằng nước). Một số động cơ tàu thủy hoặc động cơ tĩnh tại dùng chung cho 2, 3, 4 xylanh và cĩ khi cả dãy xylanh trong cùng một hàng dùng chung một thân. Làm như thế vừa tăng được độ cứng vững cho thân máy vừa rút ngắn chiều dài và giảm trọng lượng thân máy.
Thân máy kiểu thân rời cũng dùng lĩt xylanh khơ và lĩt xylanh ướt. Loại lĩt khơ thường dùng cho động cơ làm mát bằng giĩ. Loại lĩt ướt dùng cho động cơ Diesel tàu thủy và tĩnh tại. Để tăng độ cứng vững cho lĩt xylanh, cĩ khi người ta làm thêm gân ở phía ngồi của ống lĩt.
Hình 3.3. Kết cấu thân máy kiểu vỏ
thân chịu lực.
Hình 3.4. Kết cấu thân máy kiểu
Dựa vào tình trạng chịu lực, thân máy kiểu rời được chia ra ba loại:
Xylanh chịu lực
Trong kết cấu này, lực tác dụng sẽ do xylanh chịu đựng. Kết cấu này thường dùng trong các loại động cơ làm mát bằng giĩ. Nắp xylanh lắp cố định trên xylanh bằng bulơng, xylanh lắp cố định trên hộp trục khuỷu bằng gujơng.
Vỏ thân chịu lực
Trong kết cấu này vỏ thân chịu lực kéo cịn xylanh khơng chịu lực kéo, kết cấu này cĩ thể phân ra thành hai kiểu sau đây:
Nắp xylanh, vỏ thân và hộp trục khuỷu lắp với nhau bằng các bulơng ngắn. Nắp xylanh lắp với thân máy rồi thân máy lắp với hộp trục khuỷu.
Vỏ thân và hộp trục khuỷu lắp với nhau bằng gujơng dài, cịn nắp xylanh lắp trên thân máy bằng các bulơng ngắn (hình 3.5).
Gujơng chịu lực
Trong kết cấu này lực tác dụng sẽ do gujơng chịu đựng. Kết cấu này thường dùng khá phổ biến trong động cơ làm mát bằng giĩ và động cơ chữ V.
I.2.3. Lĩt xylanh a) Nhiệm vụ a) Nhiệm vụ
Lĩt xylanh là chi tiết máy cĩ dạng ống, được lắp vào thân máy nhằm mục đích kéo dài tuổi thọ của máy. Kết cấu thân máy phụ thuộc rất nhiều vào kiểu lĩt xylanh. Thân máy cĩ thể dùng lĩt xylanh khơ, lĩt xylanh ướt hoặc khơng dùng lĩt xylanh. Mặt trong của lĩt xylanh được gia cơng với độ chính xác cao và được mài bĩng được gọi là mặt gương xylanh. Độ cơn và độ ơ van cho phép của mặt gương xylanh nằm trong phạm vi 0,01 ÷ 0,06mm.
Hình 3.5. Thân máy kiểu vỏ thân chịu lực
của động cơ Diesel.
Hình 3.6. Thân máy kiểu gujơng chịu
b) Phân loại
Lĩt xylanh cĩ hai loại: lĩt xylanh khơ và lĩt xylanh ướt.
Lĩt xylanh khơ là loại ống lĩt lắp vào trong lỗ xylanh; mặt ngồi của ống lĩt tiếp xúc với mặt trong lỗ xylanh khơng tiếp xúc trực tiếp với nước làm mát (hình 3.7). Lĩt xylanh khơ cĩ đặc điểm sau:
- Do kết cấu lĩt xylanh cĩ độ cứng vững tốt nên cĩ thể làm mỏng và tốn ít vật liệu. - Thân máy cĩ độ cứng vững cao, do vậy ít biến dạng khi siết bulơng nắp xylanh. - Khơng bị rị rỉ nước và lọt khí do khơng tiếp xúc trực tiếp với nước làm mát. - Truyền nhiệt kém và khĩ tháo lắp trong quá trình bảo dưỡng sửa chữa.
Lĩt xylanh ướt là loại ống lĩt lắp vào vỏ thân, mặt ngồi của lĩt xylanh tiếp xúc trực tiếp với làm mát (hình 3.8). Lĩt xylanh ướt cĩ các đặc điểm sau:
- Hiệu quả làm mát xylanh tốt hơn loại lĩt xylanh khơ do lĩt xylanh tiếp xúc trực tiếp với nước làm mát nên khơng xảy ra hiện tượng quá tải nhiệt.
- Vật liệu và cơng nghệ đúc thân máy khi dùng lĩt xylanh ướt khơng yêu cầu cao. - Cơng nghệ gia cơng lĩt xylanh cũng đơn giản hơn lĩt xylanh khơ.
- Thuận tiện trong việc bảo dưỡng, sửa chữa và thay thế. - Khĩ bao kín, dễ bị rị nước làm mát và lọt khí.
- Độ cứng vững kém hơn lĩt xylanh khơ.
I.3. Nắp máy (nắp xylanh)
I.3.1. Nhiệm vụ
Nắp xylanh là chi tiết đậy kín một đầu phía trên của xylanh, cùng với xylanh và piston tạo thành khơng gian buồng cháy.
Để gá lắp các chi tiết và các hệ thống khác như: bougie, vịi phun, cơ cấu phân phối khí,...
Áo nước Lĩt xylanh khơ Hình 3.7. Lĩt xylanh khơ. Gờ lĩt xylanh Thành xylanh Áo nước Gioăng lĩt xylanh Hình 3.8. Lĩt xylanh ướt. Lĩt xylanh ướt
Hình 3.10. Nắp xylanh cĩ buồng cháy bán cầu và hình chêm.
a) b)
I.3.2. Kết cấu nắp máy động cơ xăng – động cơ Diesel
Nắp xylanh làm việc trong điều kiện rất xấu: chịu nhiệt độ cao, áp suất lớn và ăn mịn hố học bởi các hợp chất cĩ trong sản vật cháy.
Nắp xylanh của động cơ Diesel làm mát bằng nước thường được đúc bằng gang hợp kim, đúc bằng khuơn cát hoặc bằng khuơn kim loại.
Đa số nắp động cơ xăng đều dùng hợp kim nhơm, vì hợp kim nhơn nhẹ và tản nhiệt tốt.
Nắp xylanh được ghép lên thân máy bằng một tấm gioăng. Bu lơng lắp ghép xylanh và nắp xylanh được siết đều theo trình tự và trị số lực siết nhất định (do nhà sản xuất qui định) để tránh rị rỉ khí cháy và hư hỏng gioăng nắp xylanh. Để đảm bảo độ kín khít cần phải kiểm tra độ phẳng mặt tiếp xúc của xylanh và nắp xylanh mỗi khi tháo hoặc lắp.
Hình 3.9. Thứ tự khi nới lỏng và siết bulơng nắp xylanh. a) Kết cấu nắp máy động cơ xăng
Kết cấu nắp máy động của động cơ tùy thuộc vào kết cấu của buồng cháy, cách bố trí cơ cấu supap và số supap của cơ cấu phân
phối khí, bougie, kiểu làm mát động cơ và đường nạp thải trên nắp xylanh. Dạng buồng cháy trên động cơ quyết định hiệu suất nạp, thải và hiệu suất của quá trình cháy trên động cơ.
Nắp xylanh cĩ buồng cháy dạng bán cầu dùng trên động cơ ơ tơ được giới thiệu trên (hình 3.10). Loại nắp xylanh trên dùng supap treo, supap nạp hơi lớn hơn supap thải, buogie đặt ở bên hơng buồng cháy, khoảng cách từ bougie đến điểm xa nhất của vùng cháy gần bằng đường kính xylanh.
Nắp xylanh cĩ buồng cháy dạng hình chêm dùng rộng rãi trên động cơ chữ V và động cơ nhiều hàng xylanh. Loại buồng cháy này cĩ ưu điểm: gọn, cĩ cường độ xốy lốc tốt. Trên nắp xylanh cĩ các lỗ dẫn nước làm mát, lỗ bắt gujơng, lỗ để luồn đũa đẩy v.v... Vách buồng cháy được làm mát tốt để tránh kích nổ. Nước làm mát từ thân máy đi lên nắp xylanh bằng 4 lỗ trịn nhỏ chung quanh mỗi xylanh và hai lỗ dẹt ở hai bên phía đường thải và đường nạp. Ứng với mỗi xylanh dùng 5 gujơng để bắt chặt nắp xylanh.
Trong động cơ xăng một hàng xylanh cịn thường dùng loại buồng cháy khối ơvan như (hình 3.11). Loại buồng cháy này cĩ hai diện tích chèn khí. Diện tích chèn khí thứ nhất tương đối lớn, nằm đối diện với buogie, là phần xa bougie nhất, diện tích chèn khí thứ hai nhỏ hơn, nằm phía dưới bougie. Các diện tích chèn khí trên nắp xylanh sinh ra xốy lốc và dồn khí hỗn hợp vào vùng gần bougie. Bougie bố trí ở bên cạnh nắp xylanh, lệch về phía supap thải. Các đế supap lắp trên nắp xylanh làm bằng gang trắng hoặc gang xám, trong đĩ đế supap thải nhỏ hơn đế supap nạp khoảng 27%. Các supap nạp và supap thải bố trí cùng về một phía, điều này nhằm lợi dụng nhiệt của khí thải để sấy nĩng đường ống nạp.
Nước làm mát nắp xylanh đi từ dưới thân máy lên, qua các lỗ dẫn nước khoan trên mặt
nĩng (mặt nước) của nắp xylanh. Để làm mát đế supap được tốt hơn, người ta cịn dùng một ống dẫn nước riêng đặt phía đối diện của đường thải và đường nạp để dẫn nước cĩ nhiệt độ tương đối thấp phun thẳng vào vùng đế supap. Khơng gian chứa nước làm mát trong nắp xylanh khơng nên quá lớn để khỏi ảnh hưởng đến thời gian chạy ấm máy quá lâu. Nắp xylanh cũng dùng bốn gujơng chung quanh mỗi xylanh để cố định với thân máy, giữa nắp xylanh và thân máy cũng dùng đệm nắp xylanh để bao kín.
Lỗ ren lắp bougie thường cĩ kích thước M18, M14, và M10 và cĩ thể bố trí ở các vị trí sau: - Phía trên supap nạp, để giảm nhiệt độ của bougie.
- Phía trên supap thải, để cải thiện quá trình cháy, cĩ khả năng chống cháy sớm và kích nổ. Tuy vậy tình trạng thải nhiệt của bougie sẽ rất nghiêm trọng vì bị luồng khí thải đốt nĩng và chịu nhiệt bức xạ từ supap thải đến. Vì vậy khi bố trí như thế thường phải dùng loại bougie lạnh cĩ đường kín nhỏ.
- Ở khoảng cách giữa hai supap và lệch về phía supap thải chừng 1/3 khoảng cách.
b) Kết cấu nắp máy động cơ Diesel
Kết cấu nắp xylanh của động cơ Diesel phức tạp hơn nắp xylanh của động cơ xăng nhiều vì trên nĩ phải bố trí rất nhiều cơ cấu và chi tiết máy như: cơ cấu supap, buồng cháy phụ, vịi phun, bougie sấy nĩng, cơ cấu khởi động bằng khí nén, đường nước làm mát, đường thải nạp, v.v...
Điều kiện làm việc của nắp xylanh động cơ Diesel rất xấu. Nĩ chịu nhiệt độï cao và áp suất lớn. Ứng suất cơ học và ứng suất nhiệt trong quá trình làm việc của động cơ thường rất lớn và hay
Hình 3.11. Nắp xylanh của động cơ cĩ buồng cháy ơvan.
họng buồng cháy (nhiệt độ vùng này cĩ thể đạt tới 723oK). Vì vậy để tránh ứng suất nhiệt, các lớp kim loại trong nắp xylanh cần cố gắng thiết kế cĩ chiều dày đồng đều, chỗ tiếp giáp giữa các lớp kim loại cần cĩ gĩc lượn lớn. Ngồi ra cần tổ chức làm mát tốt, bố trí nước mát làm mát đi về phía chịu nhiệt nhiều để giảm nhiệt độ của mặt nắp xylanh.
Kết cấu nắp xylanh của động cơ Diesel phụ thuộc từng loại động cơ kiểu buồng cháy (phương pháp hình thành khí hỗn hơp), số kỳ và cơ cấu phân phối khí của động cơ. Nĩi chung nĩ phải thoả mãn các yêu cầu chính sau:
- Buồng cháy phải tạo thành xốy lốc mạnh để cải thiện quá trình hình thành hỗn hợp. - Kết cấu buồng cháy phải gọn, hợp lý, để tránh tổn thất nhiệt và tổn thất lưu động của
dịng khí trong quá trình cháy.
- Vị trí của vịi phun, supap nạp, supap thải và đường thải đường nạp phải hợp lý, thuận lợi cho qúa trình tạo thành khí hỗn hợp và quá trình thay đổi mơi chất.
Trong các loại nắp xylanh của động cơ cĩ buồng cháy trực tiếp (buồng cháy trên đỉnh piston), mặt nĩng của nắp xylanh thường làm phẳng. Vịi phun bố trí chính giữa trùng với đường tâm xylanh, hoặc lệch đi một khoảng khơng lớn lắm. Cách bố trí này thường dùng trong động cơ Diesel cỡ lớn. Trong động cơ ơtơ máy kéo và động cơ tĩnh tại cỡ nhỏ, vịi phun bố trí lệch với đường tâm xylanh một gĩc nhất đinh.
Trong các loại động cơ cĩ buồng cháy trực tiếp, để tạo thành xốy lốc của dịng khí nạp, người ta thường thiết kế đường nạp cĩ độ nghiêng và thắt dần lại về phía supap nạp hoặc đơi khi dùng loại supap nạp cĩ bản dẫn hướng dịng khí cũng như lợi dụng diện tích chèn khí giữa đỉnh piston và nắp xylanh.
Các loại xylanh cĩ buồng cháy phụ (buồng cháy dự bị, buồng cháy xốy lốc và buồng cháy khơng khí) bố trí trên nắp xylanh thường được dùng trong động cơ Diesel ơtơ máy kéo; đơi khi động cơ đầu máy Diesel cũng dùng nhưng hầu như khơng được dùng trong động cơ tĩnh tại và tàu thủy cỡ lớn. Kết cấu nắp xylanh cĩ buồng cháy phụ rất phức tạp, giá thành chế tạo cao.
Buồng cháy xốy lốc và buồng cháy dự bị thường chế tạo theo kiểu tổ hợp: nửa trên của buồng cháy xốy lốc đúc liền với nắp xylanh; nửa dưới của buồng cháy cĩ họng làm bằng thép chịu nhiệt hoặc gang chịu nhiệt rồi ép vào nắp xylanh, phần họng của buồng cháy thơng hướng với tâm xylanh. Buồng cháy dự bị cũng được gia cơng thành hình dạng nhất định rồi ép vào lỗ trên nắp xylanh.
Bố trí vịi phun và buồng cháy cũng cần phối hợp với việc bố trí supap. Nếu dùng nhiều supap