TIỂU LUẬN TÍNH TOÁN THIẾT kế ĐỘNG cơ đốt TRONG tìm hiểu về hệ thống bôi trơn và vấn đề bôi trơn trên động cơ

Lượng dầu bôi trơn chứa trong cácte...30 LỜI MỞ ĐẦU Trong các loại động cơ nhiệt lấy nhiệt lượng do nhiên liệu đốt cháy tạo ra để chuyển thành công có ích thì động cơ đốt trong được sử d

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀNỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BỘ MÔN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

TIỂU LUẬN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT

TRONG

Tìm hiểu về hệ thống bôi trơn và vấn đề bôi

trơn trên động cơ

Giảng viên hướng dẫn : ThS Nguyễn Duy Tiến

Sinh viên thực hiện

Hà Nô ̣i – 2021

MỤC LỤC

I, Tổng quan về hệ thống bôi trơn trong động cơ 4

1, Nhiệm vụ của hệ thống bôi trơn 4

2, Dầu bôi trơn và các đặc tính cơ bản 5

2.1, Công dụng của dầu bôi trơn 5

2.2, Một số thông số sử dụng của dầu bôi trơn 5

2.3, Các đặc tính cơ bản của hệ thống bôi trơn 6

II, Các loại hệ thống bôi trơn 7

1, Bôi trơn vung té 8

2, Bôi trơn bằng dầu pha trong nhiên liệu 8

3, Bôi trơn cưỡng bức 9

3.1, Hệ thống bôi trơn các te ướt 10

3.2, Hệ thống dầu bôi trơn các te khô 11

III, Kết cấu một số bộ phận chính 12

1, Bơm dầu 13

1.1, Bơm dầu bánh răng ăn khớp ngoài 13

1.2, Bơm dầu bánh răng ăn khớp trong 14

1.3, Bơm phiến trượt 14

2, Lọc dầu 15

2.1, Bầu lọc cơ khí 16

2.2, Bầu lọc ly tâm 18

2.3, Bầu lọc từ tính 20

3, Két làm mát dầu nhờn 20

4, Thông gió hộp trục khuỷu 21

5, Đồng hồ đo và đèn báo 23

IV, Tính toán hệ thống bôi trơn 24

1, Tính toán ổ trượt 24

1.1, Điều kiện hình thành màng dầu bôi trơn khi chịu tải 26

1.2, Trình tự tính toán trạng thải nhiệt ổ trượt 27

2, Tính toán bơm dầu ( xác đinh lưu lượng bơm dầu – chọn thông số bơm ) 28

3, Tính toán két làm mát dầu ( xác định thông số của két ) 29

4 Lượng dầu bôi trơn chứa trong cácte 30

LỜI MỞ ĐẦU

Trong các loại động cơ nhiệt lấy nhiệt lượng do nhiên liệu đốt cháy tạo ra để

chuyển thành công có ích thì động cơ đốt trong được sử dụng rộng rãi nhất với số lượng lớn nhất trong nhiều lĩnh vực: giao thông vận tải (đường bộ, đường sắt, đường thủy, hàng không ), nông nghiệp, lâm nghiệp, công nghiệp, xây dựng … Động cơ đốt trong là một tổ hợp máy móc rất phức tạp bao gồm nhiều cơ cấu

và hệ thống: thân máy và nắp xylanh, cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền, cơ cấu phân phối khí, hệ thống nhiên liệu, hệ thống làm mát …

Bài tiểu luận này được viết dựa trên những kiến thức mà em tổng hợp được

sau một thời gian tra cứu và tìm hiểu về Hệ thống bôi trơn và vấn đề bôi trơn của động cơ Nội dung chính của bài tiểu luận bao gồm các phần: vai trò, điều kiện làm việc, vật liệu chế tạo, kết cấu và tính toán sức bền các chi tiết trong Hệ thống bôi trơn

Do khả năng và trình độ có hạn cũng như nguồn tài liệu còn hạn chế nên

chắc chắn bài luận vẫn còn nhiều thiếu sót, rất mong nhận được những nhận xét vàgóp ý của thầy để bài làm của em được hoàn thiện hơn

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Duy Tiến đã đồng hành

và giúp đỡ chúng em trong học phần Thiết kế Động cơ đốt trong này!

Tìm hiểu về hệ thống bôi trơn và vấn đề bôi

trơn trên động cơ

I, Tổng quan về hệ thống bôi trơn trong động cơ

1, Nhiệm vụ của hệ thống bôi trơn

- Tại sao lại cần hệ thống bôi trơn :

Các chi tiết cấu thành hệ thống đều là từ vật liệu cơ khí và hầu như các chi tiết này đều hoạt động liên tục khi động cơ hoạt động mà không phải là các cụm chi tiết tĩnh Khi làm việc , có rất nhiều chi tiết trong động cơ có sự tiếp xúc và chuyển động tương đối với nhau Khi đó, lượng nhiệt tạo ra giữa các bề mặt và giá trị nhiệt

độ này càng lớn đối vs những chi tiết trong buồng cháy Hệ thống bôi trơn trong động cơ có nhiêm vụ cung cấp một lượng dầu bôi trơn có áp suất và lưu lượng thích hợp đến các bề mặt của những chi tiết máy có chuyển động tương đối nhằm :

+ Làm giảm ma sát cho các chi tiết chuyển động vào giúp các chi tiết

ăn khớp đều với nhau + Làm mát các bề mặt + Rửa sách các bề mặt chi tiết+ Chống gỉ, chống ăn mòn hóa học, chống mòn trong quá trình khởi động

+ Bao kín các khe hở đặc biệt là khe hở piston- xy lanh+ Giảm chấn, giảm tiếng ồn

2, Dầu bôi trơn và các đặc tính cơ bản

2.1, Công dụng của dầu bôi trơn

Trong quá trình động cơ hoạt động, dầu nhờn có tác dụng chính sau :

- Làm trơn các bề mặt có chuyển động tướng đối nhằm giảm ma sát, mài mòn làm tăng hiệu suất cơ giới và tuổi thọ của động cơ

- Rửa sạch bề mặt ma sát trong quá trình làm việc có các vẩy kim loại bị tróc

ra khỏi bề mặt ma sát Những thành phần này được dầu bôi trơn cuốn trôi vàgiữ lại trong các bầu lọc

- Làm mát các chi tiết, đặc biệt là các chi tiết chịu nhiệt cao trong quá trình làm việc ( piston, xy lanh,… ) Dầu từ hệ thống bối trơn có nhiệt độ thấp được đưa đến tiếp xúc và giải nhiệt cho các bề mặt có nhiệt độ cao hơn

- Bao kín khe hở giữa các chi tiết quan trọng như piston, xy lanh, xéc măng,…

- Chống oxi hóa, bảo vệ các chi tiết do trong dầu bôi trơn có các chất phụ gia

có khả năng chống oxi hóa bề mặt kim loại

2.2, Một số thông số sử dụng của dầu bôi trơn

Chỉ số SAE ( Society of automotive engineers ) cho biết cấp độ nhớt của dầu bôi trơn, gồm có 2 loại :

- Loại đơn cấp : là loại chỉ có một chỉ số độ nhớt, ví dụ : SAE-40, SAE-50, SAE-10W, SAE 20W Loại có chữ W (winter) dùng cho mùa đông, dựa trên

cơ sở độ nhớt ở nhiệt độ thấp nhất (động cơ khởi động từ -30 : -50°C Các cấp độ nhớt không có chữ W, dựa trên chỉ số độ nhớt ở 100°C

- Loại đa cấp: là loại có hai chỉ số độ nhớt như SAE-20W/50, SAE-10W/40 Chẳng hạn SAE-20W/50 có nghĩa, ở nhiệt độ thấp có cấp độ nhớt giống nhưloại đơn cấp SAE-20W còn ở nhiệt độ cao có cấp độ nhớt cùng với loại đơn cấp SAE-50

Chỉ số API ( American Petroleum Institute ) Chỉ số API cho biết cấp hạng chất lượng nhớt theo chủng loại động cơ, gồm có hai loại :

- Dầu chuyên dùng : là loại chỉ dùng cho một trong hai loại động cơ là xăng hoặc Diesel

Ví dụ : API-SH – dùng cho động cơ xăng (S – Spark Ignition)

API-CI – dùng cho động cơ Diesel (C Compression) Chỉ số thứ hai chỉ cấp chất - lượng tăng dần theo thứ tự chữ cái

- Dầu đa dùng : là loại dầu bôi trơn dùng cho cả động cơ xăng và động cơ Diesel

Ví du: API-SG/CD nghĩa là dùng cho động cơ xăng với cấp chất lượng G, còn dùng cho động cơ Diesel với cấp chất lượng D Chỉ số S hay C, chỉ số nào viết trước nghĩa ưu tiên sử dụng cho động cơ đó

2.3, Các đặc tính cơ bản của hệ thống bôi trơn

2.3.1, Đặc tính về độ nhớt nhiệt độ

Một đặc tính xấu của dầu gốc khoáng nhớt thay đổi theo nhiệt độ, độ nhớt tăng khi nhiệt độ giảm và trở nên loãng hơn khi nhiệt độ tăng Động cơ có thể hoạt động trong khoảng nhiệt độ rộng như hiện nay thì đặc tính trên của dầu cần phải ngược lại, cụ thể:

- Ở nhiệt độ thấp, dầu bôi trơn cần phải đủ loãng giúp động cơ dễ khởi động

và đáp ứng được yêu cầu về bôi trơn

- Ở nhiệt độ cao độ nhớt của dầu bôi trơn cũng không được quá loãng để đáp ứng tốt nhu cầu bôi trơn và bảo vệ động cơ

2.3.2, Đặc tính chống mài mòn

Khả năng chống mài mòn của các loại dầu bôi trơn là một tính năng rất quan trọng.Trong quá trình hoạt động của máy móc các chi tiết máy có sự ma sát và hiện tượng mài mòn là không thể tránh khỏi Dầu nhờn có tính năng bảo vệ các bề mặt của chi tiết máy chống lại sự mài mòn và hạn chế tác hại của mài mòn tới mức tối đa

2.3.3, Giảm ma sát và tăng tính kinh tế nhiên liệu

Những tổn thất về mặt ma sát của các bộ phận cơ khí thường làm giảm đi 25% công suất động cơ, trong đó 1/2 thuộc về cơ cấu nhóm piston và một phần rất lớn ở

cơ cấu dẫn động xupap Khoảng 2/3 những tổn thất ma sát xuất hiện dưới dạng bôi trơn thủy động còn lại là hình thức ma sát khô và ma sát trung gian

Việc chế tạo ra những loại dầu bôi trơn có đặc tính giảm ma sát và tăng tính kinh tếnhiên liệu là yếu tố quan trọng của dầu bôi trơn động cơ

2.3.4, Chống oxi hóa bề mặt

Khi động cơ hoạt động: nhiệt độ và các oxít trong khí cháy là hai yếu tố làm giảm phẩm chất của dầu bôi trơn Trong vai trò là một chất làm nguội, những chất bôi trơn không những lấy nhiệt đi từ quá trình ma sát của động cơ và quá trình cháy màcòn chịu được những nhiệt độ rất cao trong khu vực buồng cháy động cơ

Hiện tượng này làm thay đổi tính chất dầu bôi trơn và hình thành những axít hữu

cơ làm dầu trở nên đậm đặc hơn và làm tăng mài mòn Khi sự oxi hóa càng tăng thìquá trình lão hóa của dầu diễn ra càng nhanh Những loại dầu bôi trơn động cơ hiện nay chống oxi hóa rất tốt bằng việc sử dụng phụ gia và các chất tổng hợp

2.3.5, Kéo dài tuổi thọ dầu bôi trơn

Càng ngày, việc thiết kế sản xuất động cơ càng được hoàn thiện với những tính năng vượt trội Kéo theo đó là những đòi hỏi về những loại dầu bôi trơn với tính năng tốt để kéo dài tuổi thọ động cơ Hiện nay, những nhà sản xuất dầu nhờn đang

cố gắng gia tăng khoảng thời gian giữa hai lần thay dầu từ 6 tháng (tương đương

với vận hành 10.000km) đến 12 tháng (tương đương 20.000km) và có thể kéo dài đến 22 tháng (tương đương 30.000km).

II, Các loại hệ thống bôi trơn

Động cơ đốt trong sử dụng nhiều loại hệ thống khác nhau Tùy thuộc vào động cơ, điều kiện làm việc… mà trang bị hệ thống bôi trơn cho động cơ phù hợp

1, Bôi trơn vung té

Nguyên lý làm việc : Dầu nhờn chứa trong cácte được thìa múc dầu lắp trên đầu to thanh truyền múc hắt tung lên Mỗi một vòng quay của trục khuỷu thừa hắt dầu múc dầu một lần Các hạt dầu vung tế bên trong không gian của cácte sẽ rơi tự do xuống các mặt ma sát của ổ trục Để đảm bảo cho các ổ trục không bị thiếu dầu, trên các vách ngăn bên trên ổ trục thường có các gân hứng dầu

Phương án bôi trơn này rất ít

được sử dụng do không đảm

bảo lưu lượng dầu bôi trơn của

ổ trục cần thiết Dạng bôi trơn

này chỉ còn tồn tại trong các

động cơ kiểu cũ, công suất nhỏ

và tốc độ thấp Tuy nhiên, ưu

điểm của phương án này là kết

cấu của hệ thống bôi trơn rất

đơn giản

2, Bôi trơn bằng dầu

pha trong nhiên liệu

Phương pháp này được dùng ở

động cơ xăng hai kỳ quét vòng

dùng hộp các te - trục khuỷu

Dầu được pha với xăng theo

một tỷ lệ nhất định từ 1/20 đến 1/25 Một số động cơ xe máy cỡ nhỏ như Babeta (Séc), Simson (Đức) dùng dấu pha với tỷ lệ ít hơn trong khoảng 1/30 đến 1/33 Cáchạt dầu trong hỗn hợp xăng - dầu khi vào hộp các te -trục khuỷu và xy lanh sẽ ngưng đọng trên các bề mặt chi tiết để bôi trơn các bề mặt ma sát

- Tỉ lệ dầu nhờn sẽ sinh ra nhiều muội than đóng bám vào đỉnh piston, bougie,buồng đốt

- Tỉ lệ dầu nhờn thấp sẽ dẫn đến bôi trơn kém, ma sát lớn, sinh nhiệt lớn, piston dễ bị bó kẹt trong xylanh

3, Bôi trơn cưỡng bức

Hầu hết các động cơ đốt trong

ngày nay đều dùng phương án

bôi trơn cưỡng bức Dầu nhờn

trong hệ thống bôi trơn được

bơm dầu (loại bánh răng) đẩy

đến các bề mặt ma sát dưới

một áp suất nhất định Do đó,

hệ thống hoàn toàn có thể đảm

bảo yêu cầu bôi trơn, làm mát

và tẩy rửa mặt ma sát của ổ

trục

Hệ thống bôi trơn cưỡng bức

của động cơ đốt trong thường

bao gồm các bộ phận cơ bản

sau đây: thùng chứa dầu hoặc

cácte, bơm dầu nhờn, bầu lọc

thô và lọc tinh dầu nhờn, két

làm mát dầu nhờn, các đường

ống dẫn dầu, đồng hồ báo áp suất và đồng hồ báo nhiệt độ dầu nhờn

Tuỳ theo vị trí chứa dầu nhờn, hệ thống bôi trơn cưỡng bức phân thành hai loại: hệ thống bôi trơn cácte ướt (dầu chứa trong cácte) và hệ thống bôi trơn cácte khô (dầuchứa trong thùng dầu bên ngoài cácte)

3.1, Hệ thống bôi trơn các te ướt

Trong hê thóng này, toàn bộ lượng dầu của hệ thống bôi trơn chứa trong các te của động cơ

Bơm dầu được dẫn động từ trục khuỷu hoặc trục cam Dầu trong các te 1 được bơm hút vào bơm qua phao hút dầu 2 Phao 2 có lưới chắn để lọc sơ bộ những tạp chất có kích thước lớn Ngoài ra, phao có khớp tuỳ động nên luôn luôn nổi trên mặt thoáng để hút được dầu kể cả khi động cơ bị nghiêng Sau bơm, dầu có áp suấtcao (có thể đến 10 kG/cm) chia thành hai nhánh Một nhánh đến két 12, tại đây dầuđược làm mát rồi trở về các te Nhánh kia đi qua bầu lọc thô 5 đến đường dầu chính 8 Từ đường dầu chính, dầu theo đường nhánh 9 đi bôi trơn trục khuỷu sau

đó lên bôi trơn đầu to thanh truyền và chốt piston và theo đường nhánh 10 đi bôi trơn trục cam Một nhánh khác chiếm khoảng 15-20% lưu lượng bơm dẫn đến bầu lọc tinh 11 Tại đây, những phần tử tạp chất rất nhỏ được giữ lại nên dầu được lọc rất sạch Sau khi ra khỏi lọc tỉnh với áp suất còn lại nhỏ, dầu chảy trở vể các

te 1

Van an toàn 4 của bơm dầu có tác dụng giữ cho áp suất dầu không đổi trong phạm

vi tốc độ vòng quay làm việc của động cơ

Khi bầu lọc bị bí tắc, van an toàn 6 của bầu lọc thô sẽ mở, phần lớn dầu sẽ không qua lọc thô lên thẳng đường dấu chính đi bôi trơn, tránh hiện tượng thiếu dầu cung cấp đến các bề mặt cần bôi trơn

Khi nhiệt độ dầu lên cao quá (khoảng 80°C), do độ nhớt giảm, van khống chế lưu lương 13 sẽ mở để dầu qua két làm mát rối lại trở về các te

Khi động cơ làm việc, dầu bị hao hụt do bay hơi và các nguyên nhân khác nên phảithường xuyên kiểm tra lượng dầu trong các te bằng thước thăm dấu 16 Khi mức dấu ở vạch dưới phải bổ sung thêm dầu

Do toàn bộ dầu bôi trơn chứa trong các tế nên các te phải sâu để có dung tích chứa lớn, do đó làm tăng chiều cao động cơ Ngoài ra, dầu trong các te luôn luôn tiếp xúc với khí cháy có nhiệt độ cao từ buồng cháy lọt xuống mang theo hơi nhiên liệu

và các hơi a xít làm giảm tuổi thọ của dầu

3.2, Hệ thống dầu bôi trơn các te khô

Hệ thống bôi trơn các te khô khác cơ bản với hệ thống bôi trơn các te ướt ở chỗ, hệthống có thêm một đến hai bơm 2 làm nhiệm vụ chuyển dầu- sau khi bôi trơn rơi xuống các te- từ các te qua két làm mát 13 ra thùng chứa 3 bên ngoài các te động

cơ Từ đây, dầu được bơm dầu lấy đi bôi trơn giống như ở hệ thống bôi trơn các te ướt đã xét ở trên

Do phần lớn lượng dầu được chứa ở thùng 3 ngoài các te của động cơ nên hệ thốngbôi trơn các te khô khắc phục được những nhược điểm của hệ thống bôi các te ướt

Cụ thể các te không sâu nên động cơ thấp hơn, tuổi thọ dầu bôi được kéo dài nên chu kỳ thay dầu dài hơn Ngoài ra, động cơ có thể làm việc lâu dài ở địa hình dốc

mà không sợ thiếu dấu do phao không hút được dầu Tuy nhiên, hệ thống này phứctạp hơn vì có thêm bơm chuyển Hệ thống bởi trơn các te khô thường được sử dụngcho động cơ diessel lắp trên máy ủi, xe tăng, máy kéo, tàu thuỷ

III, Kết cấu một số bộ phận chính

1, Bơm dầu

1.1, Bơm dầu bánh răng ăn khớp ngoài

Bơm bao gồm 2 bánh răng đặt trong

một vỏ kín, bánh răng chủ động được

dẫn động hoặc trực tiếp từ trục khuỷu,

hoặc từ trục cam, còn bánh răng bị

động quay tự do

Bơm hoạt động như sau : Khi động cơ

hoạt động, bánh răng chủ động quay và

làm bánh rằng bị động quay theo

Khoang bên trái các răng ra khỏi ăn

khớp làm thể tích của khoang tăng lên,

tạo nên độ chân không và hút dầu vào

Sau đó, dầu được tải theo các khoảng

không giữa các răng của cả 2 bánh răng để đi về phía khoang bên phải Tại đây, các răng vào ăn khớp làm thể tích của khoang giảm xuống và dầu bị dồn ép đi ra ngoài với áp suất cao Tuy nhiên, áp suất trong hệ thống thường được giới hạn trong khoảng từ 0,3 đến 0.8 MPa nhờ một van an toàn bố trí ngay trong bơm.Đây là loại bơm có cấu tạo đơn giản nhưng độ tin cậy và tuổi thọ cao nên được sử dụng phổ biến hơn cả Điều tối quan trọng đối với bơm bánh răng là độ kín khít giữa các mặt bên của các bánh răng với thân bơm cũng như giữa các đỉnh răng với

vỏ bơm Đây cũng chính là yếu tố quyết định tuổi thọ của bơm

1.2, Bơm dầu bánh răng ăn khớp trong

Bơm bánh răng ăn khớp

trong, thường dùng cho

động cơ dùng ô tô du lịch

do yêu cầu kết cấu gọn nhẹ

Loại bơm này làm việc

tương tự như bơm bánh

răng ăn khớp ngoài theo

nguyên lý guồng dầu, tuy

nhiên với thể tích guồng

thay đổi

1.3, Bơm phiến trượt

Rôto 5 lắp lệch tâm với

thân bơm 1, trên thân rôto

có rãnh lắp các phiến

trượt 3 Khi rôto quay, do

lực ly tâm và lực ép của

lò xo 7, phiến trượt 3 luôn tỳ sát vào bề mặt của vỏ bơm 1 tạo thành các không gian kín và do đó lùa dầu từ đường dầu có áp suất thấp 2 sang đường dầu có áp suất cao 4 Bơm phiến trượt có ưu điểm : Đơn giản, nhỏ gọn nhưng có nhược điểm

là mài mòn bề mặt tiếp xúc giữa phiến trượt và than bơm rất nhanh

2, Lọc dầu

Để đảm bảo ổ trục ít bị mài mòn do tạp chất, dầu nhờn dùng để bôi trơn phải rất sạch, Trong quá trình làm việc dầu nhờn bị phân huỷvà nhiễm bẩn bởi nhiều loại tạp chất như:

• Mặt kim loại do các mặt ma sát mài mòn, nhất là trong thời gian chạy rà động cơ mới và trong thời gian động cơ đã làm việc quá chu kỳ đại tu

• Các chất tạp lẫn trong không khí nạp như cát bụi và các chất khác Các tạp chất này theo không khí nạp vào xy-lanh rồi lẫn với dầu nhờn, chảy xuống cácte

• Muội than do nhiên liệu hoặc dầu nhờn cháy bám trên xy-lanh, theo dầu nhờn xuống cacte

• Các tạp chất hoá học do dầu nhờn biến chất, bị oxy hoá hoặc bị tác dụng của các loại axit sinh ra trong quá trình cháy

Để loại bỏ những tạp chất trên, nhất là các tạp chất cơ học, người ta phải lọc sạch dầu nhờn bằng các thiết bị lọc dầu

Theo chất lượng lọc người ta chia ra làm 2 loại lọc :

- Lọc thô thường lắp trực tiếp trên đường dầu nên lưu lượng dầu phải đi qua lọc rất lớn Vì vậy tổn thất áp suất của lọc thô không được quá lớn, chỉ khoảng 0,1 MN/m Lọc thô chỉ lọc được căn bản có kích thước lớn hơn 0,03 mm

- Lọc tinh có thể lọc được các tạp chất có đường kính hạt rất nhỏ đến 0,1 um

Do đó sức cản của lọc tinh rất lớn nên phải lắp theo mạch rẽ và lượng dầu phân nhánh qua lọc tinh không quá 20% lượng dầu của toàn mạch Dầu sau khi qua lọc tinh thường trở về các te

Theo kết cấu có thể chia lọc dầu thành các loại: bầu lọc cơ khí, bầu lọc ly tâm, lọc từ tính