VII. Giới thiệu động cơ Wankel và động cơ tuabin
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 (trong động cơ tĩnh tại và tàu thủy cỡ lớn mỗi xylanh thường dùng 3÷4 supap), vịi phun thường được bố trí ở chính giữa. Trong động cơ dùng hai supap, họng thơng của buồng cháy phụ thường đặt lệch một bên để cĩ thể cĩ được tiết diện lưu thơng lớn nhất.
Do nắp xylanh của động cơ Diesel rất dễ bị rạn nứt ở vùng giữa đế supap thải – đế supap nạp
– miệng buồng cháy nên phải chú ý làm mát thật tốt.
Nắp xylanh của động cơ Diesel của động cơ ơtơ máy kéo loại buồng cháy trên đỉnh piston (hình 3.12). Loại nắp xylanh này bố trí supap nạp và supap thải về hai phía khác nhau; vịi phun bố trí nghiêng so với một gĩc so với đường tâm xylanh. Vịi phun được lắp trong một ống bằng đồng, ống lĩt này lắp sít trên nắp xylanh. Do lỗ lắp ống lĩt vịi phun trên nắp xylanh làm tách làm hai đoạn nên phần ống gần đầu vịi phun được nước trực tiếp làm mát. Ngồi ra, để tăng cường độ làm mát vịi
phun và phần đế supap, người ta cịn thiết kế hai đường dẫn nước đi qua hai ống phun đúc liền với mặt ống của nắp xylanh.
Hình 3.12. Nắp xylanh của động cơ Diesel loại buồng cháy trên đỉnh piston.
Nắp xylanh được cố định trên thân máy bằng 6 gujơng bố trí quanh xylanh. Các lỗ dẫn nước làm mát đều bố trí trên mặt nĩng chung quanh xylanh và gần các gujơng. Trên nắp xylanh cịn bố trí đường dẫn dầu bơi trơn cơ cấu phân phối khí. Đường dầu này được khoan ở phần trên dọc theo chiều dài của nắp.
Trên (hình 3.13) giới thiệu nắp xylanh của động cơ Diesel cĩ buồng cháy trực tiếp (thống nhất) kiểu cạn, loại nắp này được đúc bằng gang. Vịi phun bố trí chính giữa nắp xylanh, chung quanh cĩ bốn supap: hai supap thải và hai supap nạp (supap nạp hơi lớn hơn supap thải). Khi ở điểm chết trên, phần đỉnh của piston chui vào phần lõm hình trụ trên nắp xylanh, cùng với mặt nĩng của nắp xylanh làm thành buồng cháy.
Hình 3.13. Nắp xylanh của động cơ Diesel cĩ
Nắp xylanh của động cơ Diesel cĩ buồng cháy xốy lốc hình cầu, buồng cháy phân thành hai nữa (hình 3.14). Nửa trên đúc liền với nắp xylanh, nửa dưới làm riêng bằng thép chịu nhiệt hoặc gang chịu nhiệt rồi lắp vào nắp xylanh. Để đảm bảo nhiệt độ thích hợp của buồng cháy, phần thân của nửa dưới buồng cháy lắp cĩ khe hở với nắp xylanh. Nửa dưới của buồng cháy cĩ họng thơng với khoảng khơng gian bên trên đỉnh piston.
Tiết diện của họng cĩ rất nhiều dạng: ơvan, bán nguyệt, trịn hoặc dạng phức tạp. Nửa dưới của buồng cháy được định vì bằng một chốt đĩng trên nắp xylanh hoặc bằng vít. Các supap đều bố trí gần sát với đường tâm xylanh. Supap nạp lớn hơn supap thải và đều bố trí theo phương thẳng đứng. Vịi phun lắp vào nửa phần trên của buồng cháy xốy lốc và nghiêng đi một gĩc nhất định. Các đường thải nạp đều nằm cùng một phía và hai xylanh kề nhau đều chung đường thải, nạp.
Nước làm mát từ thân máy đi lên nắp xylanh bằng 5 lỗ: 2 lỗ nhỏ ở hai bên buồng cháy xốy lốc, 2 lỗ lớn ở hai bên supap và 1 lỗ ở giữa các hai đường thải nạp đưa nước làm mát vào thẳng vùng cĩ nhiệt độ cao nhất của vùng giữa hai đế supap và họng của buồng cháy xốy lốc (xem mũi tên trên hình 3.14). Sau khi làm mát nắp xylanh, nước làm mát theo đường ống lắp ở phía đầu đi ra khỏi nắp xylanh rồi vào két nước.
Nắp xylanh lắp chặt với thân máy bằng gujơng (phần nắp xylanh giới thiệu trên hình vẽ cĩ 8 lỗ gujơng chung quanh xylanh).
Hình 3.15 giới thiệu loại nắp xylanh của động cơ Diesel cĩ buồng cháy dự bị. Nắp xylanh đúc bằng gang hợp kim, kết cấu theo kiểu nắp chung cho 2 xylanh.
Mặt trên và mặt dưới nắp đều phẳng. Buồng cháy dự bị được
chế tạo riêng và lắp Hình 3.15. Nắp xylanh của động cơ Diesel cĩ buồng cháy dự bị. Hình 3.14. Nắp xylanh của động cơ Diesel cĩ
vào trong nắp xylanh với độ nghiêng 15o nghiêng về phía đũa đẩy supap. Buồng cháy dự bị bằng thép hai nửa hàn chắp lại với nhau. Nửa dưới của buồng cháy cĩ ren để vặn vào nắp xylanh. Để nước làm mát trong nắp xylanh khơng rị ra ngồi, trên mặt phẳng lắp ghép của nửa dưới của buồng cháy cĩ đệm đồng và nửa trên buồng cháy dự bị cĩ gioăng cao su. Vịi phun lắp lún sâu vào nửa trên của buồng cháy. Thể tích của buồng cháy dự bị bằng 24,6% thể tích của buồng cháy. Đường kính của họng thơng từ buồng cháy phụ sang buồng cháy chính bằng 6,5mm.
Nước làm mát đi qua 4 lỗ trên thân máy vào nắp xylanh: hai lỗ bố trí về phía buồng cháy dự bị và hai lỗ bố trí về phía cơ cấu dẫn động supap. Để đảm bảo đưa nước làm mát tới các vùng nĩng nhất trong nắp xylanh (như vùng buồng cháy phụ thuộc và vùng đế supap thải…) trong các lỗ dẫn nước và nắp xylanh đều lắp các ống phun nước để phun các dịng nước về phía các vùng này.