+ Động cơ bốn kỳ 4 strokes: Chu kỳ làm việc được hoàn thành sau bốn hành trình của piston hoặc hai vòng quay của trục khuỷu; + Động cơ hai kỳ 2 strokes: Chu kỳ làm việc được hoàn thành s
KHÁI QUÁT V Ề ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
So sánh động cơ đốt trong với các động cơ nhiệt khác
Hiệu suất có ích e lớn nhất, có thể đạt tới 50% hoặc hơn nữa Trong khi đó, máy hơi nước cổ điển kiểu piston chỉ đạt khoảng 16%, tuốc bin hơi nước từ 22 đến 28%, còn tuốc bin khí cũng chỉ tới 30% Lý do chủ yếu là vì chu trình Các-nô tương đương của động cơ đốt trong có chênh lệch nhiệt độ trung bình của nguồn nóng và nguồn lạnh lớn nhất (Theo định luật Các-nô hiệu suất nhiệt
Động cơ đốt trong có nhiệt độ quá trình cháy rất cao, từ 1800 đến 2700 K, trong khi nhiệt độ cuối quá trình giãn nở chỉ khoảng 900 đến 1500 K, giúp tối ưu hiệu suất nhiệt Với kích thước và trọng lượng nhỏ, công suất riêng lớn, động cơ này không cần các thiết bị cồng kềnh như lò đốt hay nồi hơi nhờ quá trình cháy diễn ra trực tiếp trong xy lanh Việc sử dụng nhiên liệu có nhiệt trị cao như xăng hoặc diesel càng tăng hiệu quả vận hành so với các loại nhiên liệu như than hay khí đốt Nhờ đó, động cơ đốt trong rất phù hợp cho các phương tiện vận tải với bán kính hoạt động lớn, đồng thời dễ dàng khởi động, vận hành và bảo dưỡng.
- Khả năng quá tải kém, cụ thể không quá 10% trong 1 giờ.
Ở chế độ tốc độ vòng quay thấp, mô men xoắn tạo ra không đủ lớn, khiến động cơ không thể khởi động khi có tải Vì vậy, cần trang bị hệ thống khởi động riêng để đảm bảo hiệu suất vận hành ổn định ngay từ khi bắt đầu.
Mặc dù động cơ của hãng MAN B&W từng được ghi nhận là một trong những động cơ lớn nhất thế giới với công suất 68.520 kW (theo số liệu năm 1997), nhưng so với tuốc-bin hơi thông thường có thể đạt công suất lên tới vài trăm nghìn kW, thì công suất cực đại của động cơ này vẫn được xem là không quá lớn.
- Cấu tạo phức tạp, giá thành chế tạo cao
Nhiên liệu sử dụng trong động cơ hiện đại đòi hỏi các tiêu chuẩn nghiêm ngặt như hàm lượng tạp chất thấp, khả năng chống kích nổ cao và tính tự cháy ổn định, dẫn đến chi phí sản xuất cao Tuy nhiên, nguồn cung cấp chủ yếu là dầu mỏ đang dần cạn kiệt, với dự báo cho thấy trữ lượng dầu chỉ đủ đáp ứng nhu cầu toàn cầu trong khoảng 50 năm tới.
- Ô nhiễm môi trường do khí thải và ồn
Động cơ đốt trong hiện nay vẫn giữ vai trò chủ lực trong nhiều lĩnh vực như giao thông vận tải, xây dựng, khai thác mỏ, nông nghiệp và ngư nghiệp Theo các chuyên gia, trong vòng 50 năm tới, chưa có loại động cơ nào có thể thay thế hoàn toàn động cơ đốt trong Các loại động cơ xăng và diesel sử dụng piston chuyển động tịnh tiến thuộc nhóm động cơ nhiệt, hoạt động dựa trên quá trình chuyển hóa năng lượng hóa học từ nhiên liệu cháy thành nhiệt năng, sau đó thành cơ năng, diễn ra bên trong xylanh của động cơ.
Phân loại động cơ đốt trong
Theo nhiên liệu sử dụng:
+ Động cơ xăng: động cơ dùng nhiên liệu xăng.
+ Động cơ diesel: động cơ dùng nhiên liệu diesel
Theo phương pháp tạo hoà khí và đốt cháy:
Động cơ tạo hòa khí bên ngoài là loại động cơ phổ biến trong ngành công nghiệp ô tô, nơi hỗn hợp nhiên liệu và không khí được hình thành bên ngoài xylanh thông qua một bộ phận chuyên dụng có cấu tạo đặc biệt Cơ chế này giúp tối ưu hóa quá trình đốt cháy, nâng cao hiệu suất hoạt động và giảm lượng khí thải, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện đại.
(bộ chế hoà khí - carbuarettor) sau đó được đưa vào xylanh và được đốt cháy ở đây bằng tia lửa điện (động cơ xăng dùng bộ chế hoà khí)
Động cơ tạo hòa khí bên trong, hay còn gọi là động cơ diesel, là loại động cơ mà hỗn hợp nhiên liệu và không khí được hình thành trực tiếp trong xylanh thông qua hệ thống bơm cao áp và vòi phun chuyên dụng Khi hỗn hợp này bị nén đến nhiệt độ cao, nó sẽ tự bốc cháy mà không cần tia lửa điện, giúp tối ưu hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu.
Theo số kỳ thực hiện một chu trình công tác:
+ Động cơ bốn kỳ (4 strokes): Chu kỳ làm việc được hoàn thành sau bốn hành trình của piston hoặc hai vòng quay của trục khuỷu;
+ Động cơ hai kỳ (2 strokes): Chu kỳ làm việc được hoàn thành sau hai hành trình của piston hoặc một vòng quay của trục khuỷu
Theo quá trình cấp nhiệt và tỷ số nén ():
Động cơ hoạt động theo quá trình cấp nhiệt đẳng tích thường thuộc nhóm có tỷ số nén thấp (ε từ 5 đến 12), điển hình là các loại động cơ sử dụng nhiên liệu như xăng, cồn và khí Đây là đặc điểm kỹ thuật quan trọng giúp tối ưu hiệu suất và phù hợp với các ứng dụng phổ biến trong ngành công nghiệp ô tô và máy móc hiện đại.
Động cơ hoạt động theo quá trình cấp nhiệt đẳng áp thường có tỷ số nén cao (ε = 12–24), điển hình là các loại động cơ phun nhiên liệu bằng không khí nén và tự bốc cháy, cũng như động cơ sử dụng bột than Những loại động cơ này mang lại hiệu suất nhiệt cao và phù hợp với các ứng dụng yêu cầu công suất lớn, góp phần tối ưu hóa hiệu quả sử dụng nhiên liệu trong ngành công nghiệp hiện đại.
+ Động cơ làm việc theo quá trình cấp nhiệt hỗn hợp, loại này bao gồm những động cơ có tỷ số nén cao ( = 1224), như động cơ diesel
Khí nạp trong động cơ được phân loại dựa trên việc có được nén trước khi nạp hay không, từ đó chia thành hai loại chính: động cơ tăng áp và động cơ không tăng áp Việc hiểu rõ sự khác biệt giữa hai loại động cơ này giúp người dùng lựa chọn phù hợp với nhu cầu sử dụng, đồng thời tối ưu hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu.
+ Động cơ có hành trình ngắn khi: S/D < 1
+ Động cơ có hành trình dài khi: S/D > 1
Theo tốc độ động cơ:
Tuỳ theo tốc độ trượt trung bình của piston:
+ Khi Cm = (3 6) m/s được gọi là động cơ tốc độ thấp;
+ Khi Cm = (6 9) m/s được gọi là động cơ tốc độ trung bình;
+ Khi Cm = (9 13) m/s được gọi là động cơ tốc độ cao;
+ Khi Cm> 13 m/s được gọi là động cơ siêu cao tốc
Theo số lượng và cách bố trí xylanh:
+ Số lượng xylanh: động cơ một xylanh và động cơ nhiều xylanh (động cơ 2,
+ Cách bố trí xylanh: động cơ có xylanh đặt thẳng đứng, đặt nghiêng và nằm ngang;
Động cơ được phân loại dựa trên số hàng xy lanh gồm: động cơ một hàng, động cơ chữ V và động cơ hình sao Ngoài ra, theo số trục khuỷu, có các loại động cơ một trục khuỷu, hai trục khuỷu, ba trục khuỷu, thậm chí có loại không sử dụng trục khuỷu như động cơ piston quay kiểu Wankel.
Ngoài ra có thể phân loại động cơ theo công dụng, phương pháp làm mát và dung tích làm việc
Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong
1.4.1 Những khái niệm và định nghĩa cơ bản
1.4.1.1 Những thông số cơ bản của động cơ Động cơ bao gồm các bộ phận chính sau đây:
+ Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền;
+ Hệ thống tựđộng điều chỉnh tốc độđộng cơ;
+ Hệ thống khởi động Ởđộng cơ xăng còn có thêm hệ thống đánh lửa
- Những thông sốcơ bản của động cơ
Những thông số cấu tạo cơ bản của động cơ bao gồm điểm chết, là vị trí mà piston đổi chiều chuyển động trong quá trình hoạt động Điểm chết trên (ĐCT) là vị trí xa nhất của piston so với đường tâm trục khuỷu, trong khi điểm chết dưới (ĐCD) là vị trí gần nhất của piston so với đường tâm trục khuỷu Đây là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất và chu kỳ làm việc của động cơ.
Hành trình piston (S) là khoảng cách giữa điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dưới (ĐCD) khi piston di chuyển, được tính bằng công thức S = 2.R, trong đó R là bán kính quay của trục khuỷu Đây là thông số quan trọng phản ánh chiều dài chuyển động của piston trong động cơ.
1.4.1.2 Th ể tích làm vi ệ c c ủ a xylanh V h là th ể tích c ủ a xylanh gi ớ i h ạ n trong kho ả ng m ộ t hành trình c ủ a piston
Thể tích làm việc của động cơ V H i V
Trong đó: i - là số xylanh của động cơ.
Hình 1-1 Piston ởđiểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dưới (ĐCD)
Thể tích buồng cháy Vc là thể tích phần không gian giữa đỉnh piston, xylanh và nắp xylanh khi piston ở ĐCT
Thể tích chứa hoà khí (thể tích toàn bộ) Va là tổng thể tích làm việc của xylanh Vh và thể tích buồng cháyVc
Tỷ số nén của động cơ là tỷ số giữa thể tích chứa hoà khí của xylanh Va và thể tích buồng cháy Vc
Tỷ số nén là thông số kỹ thuật quan trọng thể hiện mức độ nén của hòa khí trong động cơ xăng hoặc không khí trong động cơ diesel khi piston di chuyển từ điểm chết dưới (ĐCD) lên điểm chết trên (ĐCT) Chỉ số này ảnh hưởng trực tiếp đến công suất và hiệu suất hoạt động của động cơ, đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa hiệu năng và tiết kiệm nhiên liệu.
Tỷ số nén tùy thuộc vào loại động cơ và thường có trị số như sau Động cơ xăng: = 3,5 11; Động cơ diesel: = 13 22;
1.4.2 Nguyên lý làm việc của động cơ bốn kỳ không tăng áp
Trong quá trình hoạt động của động cơ xăng bốn kỳ, trục khuỷu quay theo chiều mũi tên, kéo theo piston chuyển động tịnh tiến trong xi lanh thông qua thanh truyền Chu trình làm việc gồm bốn giai đoạn: nạp, nén, cháy - giãn nở và thải, trong đó chỉ có một hành trình sinh công diễn ra ở giai đoạn cháy - giãn nở Để hoàn thành chu trình này, piston phải di chuyển lên xuống bốn lần, tương ứng với hai vòng quay của trục khuỷu từ 0° đến 720°, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho động cơ.
Hình 1-2: Các hành trình làm việc của động cơ xăng 4 kỳ
1 trục khuỷu, 2 xylanh, 3 piston, 4 ống nạp,
5 bộ chế hoà khí, 6 xupáp nạp, 7 bugi, 8 xupáp thải,
Trong động cơ xăng bốn kỳ, mỗi lần piston di chuyển từ điểm chết dưới (ĐCD) lên điểm chết trên (ĐCT) hoặc ngược lại được gọi là một kỳ Chu kỳ làm việc của động cơ bao gồm bốn kỳ chính: kỳ nạp, kỳ nén, kỳ nổ và kỳ xả Quá trình này diễn ra tuần tự, giúp động cơ hoạt động hiệu quả, tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải Việc hiểu rõ chu kỳ làm việc của động cơ xăng bốn kỳ là yếu tố quan trọng trong bảo dưỡng và tối ưu hiệu suất vận hành.
Trong hành trình nạp của động cơ, khi trục khuỷu quay, piston di chuyển từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới, xupáp nạp mở và xupáp thải đóng, tạo điều kiện cho áp suất trong xylanh giảm Nhờ đó, hỗn hợp hòa khí từ bộ chế hòa khí được hút qua ống nạp vào xylanh Quá trình này được biểu diễn trên đồ thị công bằng đoạn r - a, thể hiện mối quan hệ giữa áp suất và thể tích làm việc của xylanh theo vị trí của piston.
Hình 1-3 Đồ thị công Hình 1-4 Đồ thị phối khí của động cơ xăng 4 kỳ
Trong quá trình nạp, xupáp nạp thường mở sớm trước khi piston đạt điểm chết trên (ĐCT), giúp tăng tiết diện lưu thông và đảm bảo lượng hoà khí đi vào xylanh nhiều hơn Góc mở sớm này được gọi là góc α1 Đồng thời, xupáp nạp cũng đóng muộn hơn một chút sau khi piston qua điểm chết dưới (ĐCD), tận dụng độ chân không còn lại và lực quán tính của dòng khí để tăng lượng hoà khí nạp thêm vào xylanh, gọi là góc đóng muộn α2 Nhờ đó, quá trình nạp không kết thúc tại ĐCD mà kéo dài sang cả hành trình nén, tối ưu hiệu suất động cơ.
Trong một số chế độ vận hành ở tốc độ thấp, do quán tính của dòng khí nạp còn nhỏ (pd2 > p0), hiện tượng thoái lui có thể xảy ra khi một phần môi chất đã nạp vào xylanh bị lọt ra ngoài trong giai đoạn xupáp nạp đóng muộn Hiện tượng này làm cho góc quay trục khuỷu trong quá trình nạp (α1 + 180° + α2) lớn hơn góc quay tiêu chuẩn 180° của hành trình nạp, ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ.
Cuối quá trình nạp, áp suất và nhiệt độ của hoà khí trong xylanh là: pa = 0,8 0,9 kG/cm 2
Trong hành trình nén của động cơ, cả xupáp nạp và xupáp thải đều đóng hoàn toàn, tạo điều kiện cho piston di chuyển từ điểm chết dưới (ĐCD) lên điểm chết trên (ĐCT) Quá trình này làm cho hỗn hợp hòa khí trong xi lanh bị nén lại, dẫn đến áp suất và nhiệt độ tăng cao, giúp chuẩn bị điều kiện tối ưu cho quá trình cháy diễn ra hiệu quả.
Quá trình nén trong động cơ thực tế chỉ bắt đầu khi các xupáp nạp và xả đóng kín hoàn toàn, khiến hỗn hợp khí trong xi lanh được cách ly với môi trường bên ngoài Mặc dù hành trình nén được biểu thị bằng đường aC (hình 1-3), thời gian nén thực tế (180° - α2) lại ngắn hơn so với thời gian hành trình nén lý thuyết (180°), do sự khác biệt trong thời điểm đóng kín của các xupáp.
Vào cuối hành trình nén tại điểm C’ (hình 1-3), bugi số 7 trong hệ thống đánh lửa sẽ phát tia lửa điện nhằm đốt cháy hỗn hợp hòa khí trong buồng đốt Góc đánh lửa tương ứng với đoạn C” đến C’ (hình 1-3), còn được gọi là góc φs, đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hiệu suất động cơ và giảm tiêu hao nhiên liệu.
1-4) được gọi là góc đánh lửa sớm của động cơ.
Cuối hành trình nén, áp suất và nhiệt độ của hoà khí trong xylanh là: pc = 11,0 15,0 kG/cm 2 ; Tc = 500 700 0 K
Trong hành trình cháy giãn nở sinh công, cả xupáp nạp và xupáp thải đều đóng lại, tạo điều kiện cho quá trình đốt cháy hoà khí diễn ra hiệu quả Khi piston đạt đến điểm chết trên (ĐCT), bugi kích hoạt quá trình cháy nhanh của hoà khí, làm áp suất trong xylanh tăng mạnh, được biểu thị bằng đường C’z trên đồ thị công Sau đó, khí cháy giãn nở theo đường zb, đẩy piston từ ĐCT xuống điểm chết dưới (ĐCD), tạo ra công cơ học Áp suất và nhiệt độ cực đại của khí cháy trong xylanh đạt từ 40 đến 70 kG/cm² và từ 2300 đến 2800 độ K, phản ánh hiệu suất cao của quá trình sinh công trong động cơ.
Trong hành trình thải của động cơ, xupáp nạp đóng còn xupáp thải mở, cho phép piston di chuyển từ điểm chết dưới (ĐCD) lên điểm chết trên (ĐCT) để đẩy khí cháy ra ngoài qua ống thải Xupáp thải được mở sớm một chút trước khi piston đến ĐCD (góc mở sớm α3) nhằm giảm áp suất trong xylanh, từ đó giảm công tiêu hao và lượng khí sót, giúp tăng hiệu quả nạp hòa khí Đồng thời, xupáp thải cũng đóng muộn hơn một chút sau khi piston đạt ĐCT (góc đóng muộn α4) để đảm bảo khí cháy được thải sạch hoàn toàn, nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ.
Do xupáp thải mở sớm và đóng muộn, góc quay trục khuỷu dành cho quá trình thải (α3 + α180 + α4) lớn hơn góc của hành trình thải thông thường (α180), giúp cải thiện hiệu suất xả khí Áp suất và nhiệt độ khí thải dao động trong khoảng pr = 1,0 đến 1,20 kG/cm² và Tr = 900 đến 1200 K, phản ánh điều kiện vận hành khắc nghiệt của động cơ Trên đồ thị công đoạn d1r, đoạn trùng điệp giữa xupáp nạp và xupáp thải được biểu thị bằng góc (α1 + α4), gọi là góc trùng điệp, đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình trao đổi khí trong buồng đốt.
Sau khi hành trình thải kết thúc, thì động cơ xăng 4 kỳ một xylanh đã hoàn thành một chu kỳ làm việc và chuyển sang chu trình tiếp theo
1.4.2.2 Động cơ diesel bốn kỳ không tăng áp
Quá trình làm việc của động cơ diesel bốn kỳcũng giống như động cơ xăng
Động cơ diesel 4 kỳ hoạt động theo chu trình gồm bốn giai đoạn: nạp, nén, cháy giãn nở và thải, tương ứng với bốn hành trình của piston Khác với động cơ xăng, quá trình nạp và nén trong động cơ diesel chỉ sử dụng không khí, không phải hỗn hợp nhiên liệu-không khí Nhờ vào sự nén mạnh, không khí đạt nhiệt độ cao khiến nhiên liệu tự cháy khi được phun vào buồng đốt, mà không cần tia lửa điện Đây là nguyên lý đặc trưng giúp động cơ diesel 4 kỳ vận hành hiệu quả và tiết kiệm nhiên liệu.
CƠ CẤU TRỤC KHUỶU THANH TRUYỀN
Các chi tiết cố định của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền
Thân máy là bộ phận quan trọng trong cấu tạo động cơ, đóng vai trò là nơi gá lắp các chi tiết then chốt như xylanh, hộp trục khuỷu, hệ thống dẫn động trục cam, bơm dầu, bơm nhiên liệu và quạt gió Việc bố trí hợp lý các bộ phận này trong thân máy giúp đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định và tối ưu của động cơ.
- Lấy nhiệt từ thành vách xylanh toả ra môi trường xung quanh làm mát cho động cơ trong quá trình làm việc
- Chịu nhiệt độ cao trong quá trình làm việc
- Trong động cơ đốt trong, thân máy là nơi có kích thước và khối lượng chiếm từ 30-60% trọng lượng của động cơ Trong quá trình làm việc thân máy chịu lực khí thể rất lớn và trọng lượng các chi tiết gá lên thân máy
- Khối xylanh và hộp trục khuỷu động cơ thường chế tạo bằng gang xám Gang xám chứa khoảng 3% cacbon tồn tại chủ yếu ở dạng graphit tự do
Gang xám là loại vật liệu công nghiệp có giá thành rẻ, khả năng đúc tốt và sở hữu nhiều đặc tính ưu việt như dễ gia công cơ khí, tạo bề mặt nhẵn, chịu mài mòn, giảm rung động và có độ bền cơ học cao Tuy nhiên, gang xám cũng tồn tại một số hạn chế như trọng lượng lớn, tính giòn cao, khả năng chống uốn kém và khó rèn Đặc biệt, khi làm nguội nhanh trong khuôn, gang có thể bị biến trắng, ảnh hưởng đến tính chất vật liệu.
Một số động cơ hiện đại sử dụng thân máy đúc bằng hợp kim nhôm nhằm giảm trọng lượng tổng thể, cải thiện khả năng dẫn nhiệt và tăng hiệu quả tản nhiệt so với gang Tuy nhiên, hợp kim nhôm có nhược điểm là chịu nhiệt kém và độ bền cơ học thấp hơn gang, điều này cần được cân nhắc khi lựa chọn vật liệu chế tạo động cơ.
Thân máy động cơ có nhiều dạng khác nhau tùy thuộc vào loại động cơ và số lượng xylanh Nếu xylanh được đúc liền với thân máy thì gọi là thân máy kiểu thân xylanh, còn khi xylanh được chế tạo riêng thành ống lót và lắp vào thân thì gọi là vỏ thân Đối với động cơ làm mát bằng nước, không gian bao quanh xylanh được gọi là áo nước, giúp tăng hiệu quả làm mát và bảo vệ động cơ.
Hình 2-1 Thân máy kiểu thân xylanh -hộp trục khuỷu
1 Thân xylanh ; 2 Hộp trục khuỷu.
Thân máy được gọi là loại thân xylanh hộp trục khuỷu khi thân xylanh được đúc liền với hộp trục khuỷu, giúp tăng độ cứng vững và giảm trọng lượng tổng thể của động cơ Hộp trục khuỷu thường được chia thành hai phần riêng biệt, tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp ráp và bảo trì, đồng thời cải thiện hiệu suất hoạt động của động cơ trong các ứng dụng công nghiệp và ô tô.
1a,b) với ổ trục khuỷu là ổ trượt hoặc làm liền (hình 2-1c), khi đó ổ trục phải dùng ổ bi Loại này thường dùng 3 kiểu chịu lực:
- Thân xylanh chịu lực: Lực có thể tác dụng lên nắp xylanh sẽ truyền cho thân xylanh qua các gu giông nắp xylanh
- Vỏ thân chịu lực: Lực khí thể tác dụng lên nắp xylanh sẽ truyền cho các gu giông
- Gu giông chịu lực: Lực tác dụng truyền cho các gu giông liên kết nắp xylanh thân máy, hộp trục khuỷu với đế máy a) b)
Hình 2-2 Thân máy rời1- Hộp trục khuỷu 2- Thân xylanh 3- Nắp xylanh 4- Gu giông nắp máy 5- Gu giông thân máy 6- Lỗ lắp trục cam 7- Ggilông toàn bộ 8- Đế máy
Thân máy rời là loại kết cấu trong đó thân xy lanh được tách rời khỏi hộp trục khuỷu và được lắp ghép bằng bulông hoặc gu giông, thường thấy ở động cơ ôtô và máy kéo Một số động cơ tàu thủy sử dụng gu giông xuyên suốt từ nắp máy đến các te dầu, tạo nên kết cấu chắc chắn và chịu lực tốt, phù hợp với yêu cầu vận hành khắt khe của môi trường hàng hải.
Xylanh chịu lực là bộ phận quan trọng trong hệ thống động cơ, có khả năng chịu đựng lực tác dụng lớn từ quá trình vận hành Loại kết cấu này thường được ứng dụng trong các động cơ máy bay và động cơ làm mát bằng gió, giúp đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định và độ bền cao cho thiết bị.
- Vỏ thân chịu lực kéo, còn xylanh không chịu lực kéo
- Gu giông chịu lực: Lực tác dụng do các gu giông chịu đựng loại này thường dùng ở các động cơ làm mát bằng gió và động cơ hình chữ V. a) b) c)
Hình 2-3 Thân máy động cơ làm mát bằng gió 1- Hộp trục khuỷu 2- Thân xylanh 3- Nắp xylanh
Thân máy động cơ làm mát bằng gió thường là thân máy rời (hình 2-3)
Trong thiết kế động cơ, có thể sử dụng gu giông riêng biệt (hình 2-3a) hoặc một gu giông chung để liên kết nắp và thân xylanh với hộp trục khuỷu (hình 2-3b), tùy theo yêu cầu kỹ thuật Xylanh có thể được chế tạo liền với thân máy hoặc tách rời dưới dạng ống lót để lắp vào thân, giúp linh hoạt trong quá trình bảo trì và thay thế Cấu trúc thân máy kiểu này có mối liên hệ chặt chẽ với các thông số kỹ thuật quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ bền của động cơ.
+ Tốc độ quay của động cơ, tỉ số nén, mức độ cường hoá của động cơ, các thông số ảnh hưởng đến ứng suất nhiệt của xylanh
+ Vật liệu chế tạo thân máy phải tản nhiệt tốt, dễ đúc dễ gia công
+ Mức độ làm mát cần thiết Nếu thay đổi cường độ làm mát thì kích thước hình dạng và số lượng phiến tản nhiệt thay đổi theo
Thân động cơ làm mát bằng gió có thể chế tạo như sau:
- Đúc bằng thép rồi gia công toàn bộ phiến tản nhiệt
- Đúc bằng gang, các phiến tản nhiệt không cần gia công.
Các phiến tản nhiệt được đúc liền bằng nhôm, không cần gia công thêm, giúp tối ưu hiệu suất làm mát động cơ Diện tích các phiến này chiếm khoảng 25–40% tổng diện tích tản nhiệt, được bố trí dọc theo gần toàn bộ chiều dài xylanh, từ mặt nắp ghép với xylanh đến mặt nắp ghép với hộp trục khuỷu, đảm bảo khả năng tản nhiệt hiệu quả và đồng đều.
Các thông số kỹ thuật cơ bản của phiến tản nhiệt như chiều cao (H), độ dày (S), khoảng thông gió (L) và khoảng cách giữa các tấm đều đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất tản nhiệt Đối với động cơ làm mát bằng gió tự nhiên như môtô và xe máy, khoảng cách S thường vào khoảng 8mm, độ dày khoảng 3mm Chiều cao của phiến tản nhiệt phụ thuộc vào vật liệu chế tạo xy-lanh, với chiều cao H dao động từ 14 đến 20mm, đảm bảo khả năng tản nhiệt tối ưu trong điều kiện vận hành thực tế.
Tuỳ theo phương pháp lắp đặt trục khuỷu trong hộp trục khuỷu mà thân máy có kết cấu khác nhau những phương pháp thường gặp trong thực tế là:
Trục khuỷu treo có hộp trục khuỷu được chia làm hai nửa, trong đó nửa dưới chứa các te dầu Toàn bộ thân máy hoặc động cơ được gắn trên các gối đỡ, đây là thiết kế phổ biến đối với động cơ ôtô máy kéo.
Trục khuỷu được đặt trong hộp trục khuỷu thiết kế gồm hai nửa, trong đó nửa dưới đóng vai trò là bệ máy Toàn bộ trục khuỷu cùng các chi tiết lắp ráp đều được bố trí trên bệ máy, đảm bảo độ ổn định và hiệu suất vận hành của động cơ.
- Trục khuỷu luồn (hình 2-4c) hộp trục khuỷu nguyên khối do đó khi lắp ráp trục khuỷu vào động cơ phải bằng cách luồn
Theo tình trạng chịu lực khí thể người ta còn phân biệt thân máy theo các dạng sau:
- Thân xylanh hay xylanh chịu lực (hình 2-4a) xylanh liền với thân máy Lực khí thể tác dụng lên nắp xylanh qua các gu giông nắp máy truyền xuống xylanh
Vỏ thân chịu lực được thiết kế theo dạng hình 2-4b, trong đó xylanh được chế tạo rời dưới dạng ống lót và sau đó lắp vào thân máy Quá trình truyền lực khí thể diễn ra thông qua các gu giông, dẫn lực trực tiếp xuống vỏ thân, giúp xylanh không phải chịu bất kỳ tải trọng nào Cấu trúc này tối ưu hóa hiệu suất làm việc của động cơ và tăng độ bền cho các bộ phận bên trong.
Hình 2-4 Các kiểu lắp đặt trục khuỷu a Trục khuỷu treo ; b Trục khuỷu đặt; c Trục khuỷu luồn;
Thân máy động cơ là bộ phận phức tạp, nơi bố trí các chi tiết quan trọng như cơ cấu phân phối khí, trục khuỷu thanh truyền, hệ thống làm mát và hệ thống bôi trơn Gu giông chịu toàn bộ lực khí thể, trong khi thân xylanh và hộp trục khuỷu được thiết kế rời nhau Thân máy gồm nhiều xylanh đúc liền, có thể được bố trí thẳng hàng, đối xứng hoặc theo hình chữ V, thường áp dụng cho động cơ làm mát bằng nước Phía trên khối xylanh là các xylanh, nếu khối xupáp đặt thẳng đứng thì bệ xupáp sẽ nằm trên khối xylanh Phía dưới là cácte, nơi đặt trục khuỷu, trục cam và các bọng nước làm mát bao quanh xylanh Lòng xylanh được gia công với độ tròn và độ nhẵn bóng cao, đảm bảo hiệu suất hoạt động Khối xylanh đúc rời với cácte có tích hợp các đường dẫn dầu bôi trơn, giúp phân phối dầu đến các chi tiết trong quá trình vận hành Xung quanh thân máy là vị trí lắp đặt các bộ phận phụ như bơm nước, bơm xăng, bộ chia điện, máy khởi động, máy phát điện, đường ống nạp và ống xả, tạo nên một hệ thống động cơ hoàn chỉnh và hiệu quả.
Các chi tiết chuyển động của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền
Piston là bộ phận quan trọng trong động cơ, có chức năng chính là phối hợp với xylanh và nắp xylanh để tạo thành buồng đốt kín, đồng thời truyền lực khí thể đến thanh truyền và nhận lực từ thanh truyền để thực hiện quá trình nén khí Đặc biệt, ở một số động cơ hai kỳ, piston còn đảm nhiệm vai trò đóng mở cửa nạp và cửa thải trong hệ thống phối khí, góp phần tối ưu hiệu suất hoạt động của động cơ.
Piston là bộ phận quan trọng trong động cơ, phải hoạt động liên tục ở tốc độ cao trong môi trường khắc nghiệt, chịu lực va đập, lực khí thể và lực quán tính lớn thay đổi theo chu kỳ Ngoài ra, piston còn phải chịu nhiệt độ và áp suất cao, dễ bị biến dạng và ma sát mạnh với xéc măng, xi lanh trong điều kiện bôi trơn không tối ưu Đặc biệt, đỉnh piston dễ bị ăn mòn hóa học do khí cháy sinh ra, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của động cơ.
Để đảm bảo piston hoạt động ổn định và bền bỉ trong môi trường khắc nghiệt, việc lựa chọn vật liệu chế tạo phù hợp là yếu tố then chốt Trong thực tế, các loại vật liệu như hợp kim nhôm, gang hoặc thép đặc biệt thường được sử dụng để chế tạo piston, nhằm đáp ứng yêu cầu về độ bền cơ học, khả năng chịu nhiệt và chống mài mòn hiệu quả.
Gang là vật liệu phổ biến trong chế tạo piston, thường sử dụng các loại gang xám, gang dẻo và gang cầu nhờ vào độ bền cơ học cao, khả năng giãn nở thấp giúp hạn chế tình trạng bó kẹt Ưu điểm của gang còn nằm ở tính dễ gia công và chi phí thấp Tuy nhiên, do trọng lượng lớn làm tăng lực quán tính của piston và hệ số dẫn nhiệt thấp khiến nhiệt độ đỉnh piston cao, gang chỉ phù hợp cho các loại động cơ có tốc độ thấp.
Piston thép có ưu điểm về độ bền cao và trọng lượng nhẹ, tuy nhiên lại có hệ số dẫn nhiệt thấp và khó đúc, khiến vật liệu này ít được sử dụng trong sản xuất piston hiện đại Dù vậy, trong lịch sử, một số hãng nổi tiếng như Ford (Mỹ) và Junker (Đức) đã từng ứng dụng thép để chế tạo piston trong thời kỳ Chiến tranh Thế giới thứ hai.
Piston thường được chế tạo từ hợp kim nhôm nhờ các ưu điểm như trọng lượng nhẹ, khả năng dẫn nhiệt cao, ma sát thấp với vật liệu gang của xylanh, dễ đúc và dễ gia công Tuy nhiên, hợp kim nhôm có hệ số giãn nở dài lớn, khiến khe hở giữa piston và xylanh phải tăng để tránh bó kẹt, dẫn đến hiện tượng lọt khí từ buồng cháy xuống trục khuỷu, gây khó khăn khi khởi động và tạo tiếng gõ khi piston đổi chiều Ngoài ra, ở nhiệt độ cao, sức bền của hợp kim nhôm giảm mạnh—từ 65 đến 79% khi nhiệt độ tăng từ 288K lên 323K—trong khi gang chỉ giảm từ 18 đến 20%, đồng thời piston hợp kim nhôm chịu mòn kém và có giá thành cao.
Hình 2.18 Piston ma sát thấp
Một số động cơ xăng hiện đại sử dụng piston ma sát thấp được chế tạo từ hợp kim nhôm chứa silic, giúp tăng hiệu suất vận hành Sau quá trình đúc và gia công, bề mặt piston được xử lý hóa chất để loại bỏ lớp nhôm bên ngoài, làm lộ ra các hạt silic cứng có khả năng chịu mài mòn cao và giảm ma sát hiệu quả hơn so với nhôm thông thường Đây là giải pháp kỹ thuật tiên tiến nhằm nâng cao độ bền và hiệu suất của động cơ.
Để thuận tiện trong việc phân tích kết cấu, piston được chia thành ba phần chính: đỉnh piston, đầu piston và thân piston, mỗi phần đảm nhận một chức năng riêng biệt với đặc điểm kết cấu đặc thù Trong đó, đỉnh piston đóng vai trò quan trọng khi kết hợp với nắp máy và xylanh để tạo thành buồng cháy, góp phần quyết định hiệu suất hoạt động của động cơ.
Về mặt kết cấu đỉnh piston gồm các loại sau:
Piston đỉnh bằng là loại piston có thiết kế đơn giản với diện tích chịu nhiệt nhỏ, thường được sử dụng trong các động cơ diesel có buồng cháy dự bị và buồng cháy xoáy lốc Cấu trúc này giúp tối ưu hiệu suất nhiệt và phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của các hệ thống đốt trong hiện đại.
Piston đỉnh lồi có thiết kế mỏng, nhẹ nhưng vẫn đảm bảo độ bền cao và khả năng chịu nhiệt tốt nhờ diện tích tiếp xúc lớn Loại piston này thường được sử dụng trong động cơ xăng 4 kỳ và 2 kỳ với xu páp treo, buồng cháy dạng chỏm cầu Trong động cơ 2 kỳ quét vòng, đỉnh piston được thiết kế với phần dốc đứng hướng về phía cửa quét, giúp luồng khí quét đi sát nắp xylanh rồi vòng xuống qua cửa thải, đảm bảo quá trình quét sạch buồng cháy hiệu quả.
Hình 2-20 Các dạng kết cấu đỉnh piston
Piston đỉnh lõm, thường được sử dụng trong cả động cơ diesel và động cơ xăng, có khả năng tạo xoáy lốc nhẹ giúp cải thiện quá trình hình thành hỗn hợp khí và cháy hiệu quả hơn Tuy nhiên, loại piston này có sức bền kém và diện tích chịu nhiệt lớn hơn so với piston đỉnh bằng, điều này ảnh hưởng đến độ bền tổng thể của động cơ.
Buồng cháy đỉnh thường xuất hiện trong các loại động cơ diesel, đặc biệt là động cơ có buồng cháy nằm trên đỉnh piston Thiết kế buồng cháy cần đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cụ thể tùy theo từng trường hợp, nhằm đảm bảo hiệu suất đốt cháy tối ưu, giảm tiêu hao nhiên liệu và hạn chế khí thải độc hại.
+ Phải phù hợp với hình dạng buồng cháy và hướng của chùm tia phun nhiên liệu để tạo thành hỗn hợp tốt nhất (hình 2.20e)
Trong quá trình nén, cần tận dụng hiệu quả xoáy lốc của không khí để tối ưu hiệu suất buồng cháy, điển hình như buồng cháy Denta, buồng cháy Omega và buồng cháy MAN Đầu piston, với đường kính thường nhỏ hơn thân piston, phải được thiết kế đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nhằm đảm bảo khả năng vận hành ổn định, tăng hiệu quả đốt cháy và giảm tiêu hao nhiên liệu.
Bao kín buồng cháy đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn khí cháy lọt xuống cacte dầu và hạn chế dầu bôi trơn sục lên buồng đốt, giúp động cơ hoạt động hiệu quả Để thực hiện điều này, người ta thường sử dụng xéc măng, gồm hai loại chính: xéc măng khí tạo buồng cháy và xéc măng dầu ngăn dầu xâm nhập buồng đốt Số lượng xéc măng được sử dụng tùy thuộc vào từng loại động cơ Các xéc măng được lắp lỏng trong rãnh, cho phép chúng tự xoay để đảm bảo độ kín tối ưu.
Piston cần được tản nhiệt hiệu quả vì phần lớn nhiệt lượng sinh ra sẽ truyền qua xéc măng đến thành xylanh và sau đó đến môi chất làm mát Để đảm bảo khả năng tản nhiệt tối ưu, các kết cấu đầu piston thường được thiết kế đặc biệt nhằm hỗ trợ quá trình truyền nhiệt nhanh chóng và giảm thiểu nguy cơ quá nhiệt trong động cơ.
+ Phần chuyển tiếp giữa đỉnh và đầu có bán kính R lớn (hình 2.21a)
+ Dùng gân tản nhiệt ở dưới đỉnh piston (hình 2.21b)
Hình 2.21 Kết cấu đầu pitson
Hình 2.22 Làm mát bằng dầu lưu thông
+ Dùng rãnh ngăn nhiệt để giảm lượng nhiệt truyền cho xec măng thứ nhất (hình 2.21c)
+ Làm mát đỉnh piston như ở động cơ ôtô IFAW50 Trong những động cơ cỡ lớn, đỉnh piston đượclàm mát bằng dầu lưu thông (hình 2.21). c Thân piston