VII. Giới thiệu động cơ Wankel và động cơ tuabin
I.3.3. Các dạng buồng đốt động cơ xăng và động cơ Diesel
a) Buồng đốt động cơ xăng
Buồng đốt kiểu hình bán cầu (hình 3.16)
Loại này cĩ đặc điểm là diện tích bề mặt buồng đốt nhỏ gọn. Trong buồng đốt bố trí một supap nạp và một supap thải, hai supap này bố trí về 2 phía khác nhau. Trục cam bố trí ở giữa nắp máy và dùng cị mổ để điều khiển sự đĩng mở của supap. Sự bố trí này rất thuận lợi cho việc nạp hỗn hợp khí và thải khí cháy ra ngồi.
Buồng đốt kiểu hình nêm (hình 3.17)
Loại này cũng cĩ đặc điểm là diện tích bề mặt tiếp xúc nhiệt nhỏ. Buồng đốt mỗi xylanh được bố trí một supap nạp và một supap thải, 2 supap này được bố trí cùng một phía. Đối với loại này trục cam được bố trí ở thân máy hoặc nắp máy, điều khiển sự đĩng mở các supap qua trung gian của cị mổ.
Buồng đốt kiểu Bathtub (hình 3.18)
Kiểu này mỗi buồng đốt bố trí một supap nạp và một supap thải, 2 supap bố trí lệch cùng một phía và các supap đặt thẳng đứng. Kiểu này cĩ khuyết điểm là đường kính đầu supap bị hạn chế nên việc nạp và thải kém.
Buồng đốt kiểu PENTROOF (hình 3.19)
Ngày nay, loại buồng đốt này được sử dụng khá phổ biến, mỗi xylanh động cơ thường được bố trí hai supap nạp và hai supap thải. Bougie được đặt thẳng đứng ở giữa buồng đốt giúp cho quá trình cháy xảy ra tốt hơn. Hai trục cam được bố trí trên nắp máy, một trục điều khiển các supap nạp và một trục cịn lại điều khiển các supap thải.
b) Buồng đốt động cơ Diesel
Buồng đốt thống nhất (trực tiếp)
Nhiên liệu được phun trực tiếp vào phần lõm của đỉnh piston. Do khơng khí di chuyển chậm trong buồng đốt, nên loại này cĩ một cửa hút dạng xoắn ốc để tạo xốy lốc khí nạp vịng theo chu vi trong hành trình hút, và 1 vùng nén theo phương thẳng đứng ở phần lõm đặc biệt trên đỉnh piston
Hình 3.18. Buồng đốt kiểu BATHTUB. Hình 3.19. Buồng đốt kiểu PENTROOF.
Hình 3.20. Buồng đốt thống nhất. Vùng xốy khí nạp Gioăng Supap nạp Piston Phần lõm hình Xốy lĩc chính Xốy lĩc nhẹ Vùng xốy Vịi phun
trong hành trình nén để khơng khí và nhiên liệu hịa trộn tốt và cháy hồn hảo trong thời gian ngắn. Buồng đốt phun trực tiếp sử dụng vịi phun cĩ nhiều lỗ phun với áp suất cao 150 300 kG/cm2 vào mọi vị trí trong buồng đốt để hĩa sương tốt và đảm bảo cháy hồn tồn (hình 3.20).
Ưu điểm
- Hiệu suất nhiệt cao, tiêu hao nhiên liệu thấp hơn khoảng 10% so với phun gián tiếp. - Nhiệt độ khí xả thấp.
- Dễ khởi động, khơng cần xơng nĩng máy trước khi khởi động ở nhiệt độ bình thường. - Hiệu suất nhiệt rất cao và tổn thất nhiệt rất thấp nên két nước và quạt giĩ cĩ thể làm
nhỏ về kích thước và thể tích.
- Ít chi tiết hơn và cấu tạo đơn giản hơn so với các loại khác.
Nhược điểm
- Áp suất cháy cao, tăng áp suất đột ngột và tiếng ồn lớn. - Việc đốt cháy phụ thuộc vào chất lượng của vịi phun.
- Phạm vi sử dụng nhiên liệu hẹp vì loại phun trực tiếp rất kén nhiên liệu.
Buồng đốt trước
Buồng đốt phụ của loại này cĩ thể tích bằng 30% ÷ 45% tổng thể tích buồng đốt, và lỗ thơng buồng đốt chính và buồng đốt phụ cĩ diện tích bằng 0,3% ÷ 0,6% diện tích đỉnh piston.
Lỗ thơng 2 buồng đốt được điều tiết để dùng như là 1 lỗ phun hỗn hợp khí.
Buồng đốt trước khơng cĩ đủ khơng khí để cĩ thể đốt cháy tồn bộ nhiên liệu. Do đĩ, khi nhiên liệu được phun vào buồng đốt trước, một phần các hạt nhiên liệu sẽ cháy và quá trình này sẽ làm tăng áp suất nội tại trong buồng đốt trước. Một lượng lớn khí đã cháy dở dang và những hạt nhiên liệu chưa được cháy cịn lại trong buồng đốt trước sẽ được phun vào buồng đốt chính ở dạng xốy lốc mãnh liệt, hồ trộn kỹ với khí nạp và cháy tiếp.
Ưu điểm
- Loại này cĩ hiệu quả sử dụng tỷ lệ khí nạp cao, cĩ thể cháy hồn tồn nhiên liệu mà khơng ra khĩi đen.
- Hoạt động êm vì ở buồng đốt chính áp suất thấp và khơng tăng đột ngột mặc dù ở buồng đốt trước cĩ áp suất cháy cao.
- Sự cháy hầu như độc lập với việc phun nhiên liệu, và động cơ này thường dùng vịi phun loại đĩt kín, nên ít bị sự cố hơn các loại vịi phun khác. Vì vậy, hoạt động ổn định được duy trì trong một chu kỳ dài và phạm vi sử dụng nhiên liệu đạt hiệu quả rộng hơn.
Nhược điểm
- Hiệu quả nhiệt thấp mặc dù cháy hồn tồn bởi vì phần cháy chính hầu hết xảy ra khi piston đã qua điểm chết trên. Tổn thất qua lỗ thơng buồng đốt và tổn thất làm mát tăng do diện tích buồng đốt lớn, do đĩ mức tiêu hao nhiên liệu sẽ tăng.
- Nhiệt độ khí xả cao.
- Khĩ khởi động khi động cơ nguội nếu khơng xơng máy.
- Chế tạo mặt nắp xylanh phức tạp. Lỗ thơng buồng đốt chịu nhiệt độ cao và dễ bị sự cố do nhiệt khi động cơ tạo cơng suất cao.
Buồng đốt xốy lốc
Buồng đốt xốy lốc cĩ buồng đốt phụ lớn và lỗ thơng buồng đốt lớn hơn loại buồng đốt trước. Nĩ tạo ra dịng khí xốy mạnh ở buồng xốy lốc trong hành trình nén, và 1 lượng lớn nhiên liệu được phun vào dịng khí để bốc cháy.
Buồng đốt xốy lốc chiếm khoảng 60% ÷ 75% tổng thể tích và tiết diện lỗ thơng chiếm 1% ÷ 3,5% diện tích đỉnh piston. Lỗ thơng cĩ vị trí và hướng của nĩ sao cho tạo xốy lốc mãnh liệt. Aùp suất tăng lên trong buồng đốt chính khi piston đến gần điểm chết trên sẽ lớn hơn so với loại buồng đốt trước bởi vì tỷ lệ cháy hỗn hợp khí khi ở buồng đốt xốy lốc cao hơn.
Đặc điểm
- Hiệu quả của quá trình cháy cao khi động cơ làm việc ở tốc độ cao, do đĩ tạo ra cơng suất lớn và mức tiêu hao nhiên liệu thấp.
- Tổn thất nhiệt từ buồng đốt xốy lốc khá lớn đến mức rất khĩ khởi động khi
động cơ nguội nếu khơng cĩ hệ thống xơng máy.
I.4. Gioăng nắp máy, carte và gujơng
I.4.1. Gioăng nắp máy
Gioăng nắp máy (gioăng nắp xylanh) được đặt nằm giữa khối xylanh và nắp xylanh, dùng để bao kín, tránh lọt khí và rị nước làm mát ở mặt lắp ghép nắp xylanh với thân máy. Gioăng nắp xylanh phải cĩ độ đàn hồi tốt để cĩ thể làm kín các chỗ khơng phẳng trên mặt lắp ghép của thân máy và nắp xylanh (do gia cơng hoặc do biến dạng trong quá trình tháo lắp)
Kết cấu và kiểu gioăng bao kín phụ thuộc vào loại động cơ. Động cơ xăng thường dùng các loại gioăng nắp xylanh bằng amiăng bọc đồng hoặc bằng amiăng viền mép bằng thép. Động cơ Diesel dùng các loại gioăng nắp xylanh bằng đồng, bằng thép lá, nhơm hợp kim hoặc bằng amiăng như của động cơ xăng.
Cấu tạo của gioăng thường được làm như (hình 3.23) và gioăng cho động cơ Diesel thường dùng loại thép kết hợp chất chịu nhiệt.
Hiện nay người ta thường dùng các loại gioăng nắp xylanh sau:
Tên Cấu tạo Vật liệu Đặc điểm
Kim loại - Thép tấm. - Đồng tấm. - Nhơm tấm. - Chịu nhiệt tốt. Laminate - Thép tấm. - Vịng dây.
- Gioăng laminate bổ sung cho tính năng của loại gioăng kim loại. - Chất lượng lắp ghép ban đầu tốt
Sandwich
- Thép tấm. - Đồng tấm. - Chất chịu nhiệt.
- Chất chịu nhiệt được kẹp giữa lớp sắt và lớp đồng. - Độ ổn định lớn, dùng cho động cơ cỡ lớn. Thép - Chất chịu nhiệt - Thép tấm. - Chất chịu nhiệt. - Vịng dây.
- Chất lượng lắp ghép ban đầu tốt, thường dùng cho động cơ xăng.
Sợi dệt
- Sợi, thép. - Chất chịu nhiệt. - Vịng dây.
- Vịng dây được ép với hỗn hợp chất chịu nhiệt và cao su.
- Chất lượng lắp ghép ban đầu tốt.
I.4.2. Các-te
Các-te được kết nối với nửa dưới của hộp trục khuỷu qua trung gian của gioăng làm kín. Các- te dùng để chứa dầu làm mát và bơi trơn khi động cơ làm việc, ngồi ra nĩ cịn cĩ tác dụng che kín các chi tiết bên trong hộp trục khuỷu.
Các-te của động cơ ơ tơ thường làm bằng thép cán, một số khác cịn dùng hợp kim gang hoặc hợp kim nhơm. Bên dưới cĩ bố trí nút xả nhớt, bên trong cĩ bố trí một vách ngăn và bên dưới vách
A – A
1 – Lớp cơ bản, 2 – Lớp phía trên, 3 – Lớp trong.
4 – Lớp trong, 5 – Lớp đệm dưới.
ngăn bố trí lưới lọc của hệ thống làm trơn. Vách ngăn dùng để giảm dao động của nhớt khi xe chuyển động, đồng thời bảo đảm được nhớt luơn luơn ngập lọc thơ khi xe chuyển động ở mặt đường nghiêng, khi phanh xe hoặc tăng tốc.
I.4.3. Gujơng
Gujơng là chi tiết máy dùng để liên kết nắp xylanh, thân máy với đế máy. Các gujơng này cĩ chiều dài khá lớn, khi làm việc chúng cũng chịu lực kéo do áp suất khí thể trong xylanh.
Gujơng liên kết nắp xylanh, thân máy với đế máy được thể hiện trên (hình 3.25)
Tấm ngăn dầu
Các-te dầu số 1
Các-te dầu số 2
Hình 3.24. Các-te chứa dầu bơi trơn động cơ.
Gujơng liên kết
II. NHỮNG CHI TIẾT DI ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG II.1. Nhĩm Piston II.1. Nhĩm Piston
Nhĩm piston bao gồm: piston, chốt piston, xécmăng khí, xécmăng dầu và các chi tiết hãm chốt piston. Trong quá trình làm việc nhĩm piston cĩ các nhiệm vụ chính sau:
- Bao kín buồng cháy, khơng cho khí cháy trong buồng cháy lọt xuống carte và ngăn khơng cho dầu bơi trơn từ carte lên buồng cháy.
- Tiếp nhận lực khí thể và biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu; nén khí trong quá trình nén, thải sản vật cháy ra khỏi xylanh trong quá trình thải và nạp mối chất mới vào xylanh trong quá trình nạp. - Trong động cơ 2 kỳ nhĩm piston cịn đĩng vai trị như một van trượt làm nhiệm vụ phối khí (đĩng mở cửa quét và cửa thải).
II.1.1. Piston a) Nhiệm vụ
Trong quá trình làm việc, piston tiếp nhận lực khí thể truyền qua thanh truyền để làm quay trục khuỷu và nhận lực quán tính từ trục khuỷu giúp cho động cơ làm việc được liên tục.
b) Điều kiện làm việc
Piston là một chi tiết rất quan trọng của động cơ đốt trong. Trong quá trình động cơ làm việc piston chịu lực lớn, nhiệt độ cao, ma sát và ăn mịn rất lớn. Các tải trọng tác dụng lên piston gồm cĩ:
Tải trọng cơ học
- Chịu tác dụng của áp lực khí thể rất lớn của quá trình cháy – giãn nở. - Lực quán tính tác dụng lên piston rất lớn, nhất là với động cơ tốc độ cao.
Các tải trọng cơ học tác dụng lên piston gây nên ứng suất và biến dạng lớn, nếu vượt quá giới hạn cho phép sẽ làm hỏng piston.
Tải trọng nhiệt
Trong quá trình cháy piston tiếp xúc trực tiếp với khí cháy cĩ nhiệt độ cao (2300 ÷ 28000K) nên nhiệt độ của piston nhất là phần đỉnh cũng rất cao (khoảng 500 ÷ 8000K). Nhiệt độ cao gây ra các tác hại sau:
- Ứng suất nhiệt lớn, cĩ thể làm rạn nứt piston.
- Gây biến dạng piston, tăng ma sát hoặc cĩ thể làm bĩ kẹt piston trong xylanh. - Làm giảm sức bền piston.
- Làm giảm chất lượng của dầu bơi trơn.
- Dễ gây ra hiẹân tượng cháy kích nổ trên động cơ xăng. - Làm giảm hệ số nạp và ảnh hưởng đến cơng suất động cơ.
Ma sát và ăn mịn hố học
Trong quá trình làm việc, do điều kiện bơi trơn giữa piston và xylanh khơng đầy đủ nên piston chịu ma sát rất lớn. Hơn nữa do lực quán tính, nhiệt độ và lực ngang N làm cho piston biến dạng nên ma sát càng tăng.
Piston tiếp xúc trực tiếp với sản vật cháy nên cịn bị sản vật cháy ăn mịn (axít sunfuarít).
c) Vật liệu chế tạo
Do điều kiện làm việc như trên nên khi chế tạo piston, vật liệu phải bảo đảm các yêu cầu sau: - Đủ sức bền khi piston làm việc ở nhiệt độ cao và tải trọng thay đổi.
- Trọng lượng riêng nhỏ.
- Hệ số giãn nở vì nhiệt nhỏ và hệ số dẫn nhiệt lớn.
- Chịu mịn tốt trong điều kiện bơi trơn kém và nhiệt độ cao. - Chống được ăn mịn hố học của khí cháy.
Ngày nay, vật liệu để chế tạo piston thường dùng gang hợp kim (chế tạo piston của động cơ cĩ tốc độ thấp) và hợp kim nhẹ (dùng trong động cơ cĩ tốc độ cao) để giảm lực quán tính.
d) Kết cấu của piston động cơ xăng – động cơ Diesel
Piston gồm 3 phần chính:
Đỉnh piston: là phần trên cùng của piston, cùng với xylanh và nắp xylanh tạo thành khơng gian buồng cháy.
Đỉnh piston cĩ rất nhiều dạng, được giới thiệu trên (hình 3.28).
1) Đỉnh bằng: (hình 2.28a) là loại phổ biến nhất. Nĩ cĩ diện tích chịu nhiệt bé, kết cấu đơn giản dễ chế tạo. Vì vậy nĩ được dùng trong động cơ xăng và động cơ Diesel cĩ buồng cháy dự bị và xốy lốc.
2) Đỉnh lồi: (hình 2.28b, e)cĩ độ cứng vững cao. Loại này cĩ thể khơng cần bố trí các đường gân dưới đỉnh nên trọng lượng piston cĩ thể giảm. Đỉnh lồi ít kết muội than nhưng do bề mặt chịu nhiệt lớn nên ảnh hưởng xấu đến quá trình làm việc của piston. Kết cấu đỉnh lồi thường được sử dụng trong các động cơ xăng cĩ buồng cháy chỏm cầu dùng supap treo và trong các động cơ xăng hai kỳ cỡ nhỏ.
3) Đỉnh lõm: (hình 2.28c) Thường dùng trong một số động cơ xăng (buồng cháy chỏm cầu) và động cơ Diesel (buồng cháy dự bị xốy lốc). Phần lõm cĩ thể là tồn đỉnh hoặc chỉ là một phần. Chỏm cầu lõm cĩ thể đồng tâm, cũng cĩ thể lệch tâm.
Loại đỉnh lõm cĩ phần diện tích chịu nhiệt lớn hơn
1 2 3 4 5 6 7 Hình 3.27. Kết cấu piston. 1 – Đỉnh piston. 2 – Đầu piston. 3 – Thân piston. 4 – Rãnh lắp xécmăng khí. 5 – Rãnh lắp xécmăng dầu. 6 – Bệ chốt piston. 7 – Chân piston.
loại đỉnh bằng nhưng cĩ ưu điểm là tạo ra xốy lốc nhẹ trong quá trình nén và trong quá trình cháy.
4) Đỉnh lồi: (hình 2.28d) chỉ dùng cho động cơ xăng hai kì cỡ nhỏ, phối khí bằng hệ thống cửa quét và cửa thải. Phần lồi lên lắp sát về bên phía cửa quét để dẫn hướng dịng khí đi vào xylanh.
5) Đỉnh lõm: (hình 2.28g, h, i, j, k, l)thường dược sử dụng trên các động cơ Diesel bốn kỳ và hai kỳ cĩ buồng cháy thống nhất (buồng cháy trên đỉnh piston). Tuỳ theo dạng lõm mà các loại buồng cháy này cĩ các tên gọi khác nhau: buồng cháy hình cầu, hình ơmêga, hình denta… Các loại buồng cháy này tạo ra xốy lốc rất mạnh trong quá trình nén để hình thành hỗn hợp khí được tốt nhất.
a) b) c) d)
e) f) g) h)
i) j) k) l)
Hình 3.28. Các dạng đỉnh piston của động cơ Diesel và động cơ xăng.
Đầu piston: bao gồm đỉnh piston, vùng đai lắp các xécmăng dầu và xécmăng khí làm nhiệm vụ bao kín. Trong quá trình động cơ làm việc, đầu piston truyền phần lớn nhiệt lượng (khoảng 70 ÷ 80%) do khí cháy truyền qua phần đai xécmăng – xécmăng – xylanh rồi đến mơi chất làm mát để làm mát động cơ.
Khi thiết kế phần đầu piston cần chú ý giải quyết ba vấn đề sau:
1) Vấn đề tản nhiệt
Thiết kế đỉnh piston mỏng nhưng cĩ gân tản nhiệt ở phía dưới đỉnh piston để tăng diện tích tiếp xúc (hình 3.29).
Dùng rãnh chắn nhiệt trên (hình 3.30a) hoặc bố trí xécmăng khí thứ nhất càng gần khu vực nước làm