Chu kỳ làm việc của động cơ xăng bốn kỳ như sau: Hành trình n ạp: trong hành trình này hình 1-2a, khi trục khuỷu 1 quay, piston 3 sẽ dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD, xupáp nạp 6 mở, xupáp
KHÁI QUÁT V Ề ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
So sánh động cơ đốt trong với các động cơ nhiệt khác
Hiệu suất hữu ích ηe của các hệ thống nhiệt đạt tới 50% hoặc cao hơn, trong khi máy hơi nước cổ điển kiểu piston chỉ đạt khoảng 16%, tuốc bin hơi nước từ 22 đến 28%, và tuốc bin khí khoảng 30% Nguyên nhân chính là do chu trình Carnot của động cơ đốt trong có chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa nguồn nóng và nguồn lạnh lớn nhất theo định luật Hiệu suất Nhiệt của Carnot.
Động cơ đốt trong hoạt động dựa trên quá trình cháy nhiên liệu diễn ra trong xilanh, với nhiệt độ quá trình cháy cao có thể lên đến 1800-2700 K, trong khi nhiệt độ cuối quá trình giãn nở chỉ đạt khoảng 900-1500 K Nhờ vào kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ và công suất riêng lớn, động cơ đốt trong không cần các thiết bị cồng kềnh như lò đốt hay nồi hơi, đồng thời sử dụng nhiên liệu có nhiệt trị cao như xăng và diesel so với các nhiên liệu khác như than, củi hay khí đốt Do đó, động cơ đốt trong rất phù hợp để sử dụng trong các phương tiện vận tải, mang lại bán kính hoạt động lớn, cùng với khả năng khởi động, vận hành và bảo dưỡng thuận tiện và dễ dàng.
- Khả năng quá tải kém, cụ thể không quá 10% trong 1 giờ.
Trong chế độ tốc độ vòng quay nhỏ, mô men xoắn sinh ra không đủ lớn để khởi động động cơ khi có tải Vì vậy, động cơ không thể khởi động trực tiếp trong trạng thái này mà cần sử dụng hệ thống khởi động riêng để đảm bảo hoạt động hiệu quả và ổn định.
Công suất cực đại của các động cơ không quá lớn Ví dụ, động cơ lớn nhất thế giới của hãng MAN B&W có công suất 68.520 kW (theo số liệu năm 1997), trong khi các tuốc bin hơi thông thường vẫn có công suất lên tới hàng trăm nghìn kW.
- Cấu tạo phức tạp, giá thành chế tạo cao
Nhiên liệu cần đáp ứng những yêu cầu khắt khe về hàm lượng tạp chất thấp, khả năng chống kích nổ cao và tính tự cháy vượt trội, khiến giá thành của chúng trở nên cao hơn Tuy nhiên, nguồn nhiên liệu chính là dầu mỏ ngày càng cạn kiệt, với dự báo trữ lượng chỉ đủ dùng trong khoảng 50 năm tới.
- Ô nhiễm môi trường do khí thải và ồn
Động cơ đốt trong vẫn là máy động lực chủ yếu, đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực như giao thông vận tải, xây dựng, khai thác mỏ, nông nghiệp và ngư nghiệp Các nhà khoa học dự đoán rằng trong nửa thế kỷ tới, chưa có loại động cơ nào có thể thay thế được động cơ đốt trong Động cơ xăng và diesel, dưới dạng piston chuyển động tịnh tiến, là những loại động cơ nhiệt hoạt động dựa trên quá trình biến đổi năng lượng từ nhiên liệu cháy thành cơ năng Quá trình này diễn ra trong xi-lanh của động cơ, nơi nhiên liệu bị đốt cháy để tạo ra năng lượng cần thiết cho hoạt động của máy móc.
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 mà hỗn hợp nhiên liệu và không khí được pha trộn ngoài xilanh nhờ một bộ phận có cấu tạo đặc biệt, giúp tối ưu quá trình đốt cháy và nâng cao hiệu suất vận hành của động cơ.
(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 hoà khí bên trong là loại động cơ trong đó hỗn hợp hơi nhiên liệu và không khí được tạo ra trực tiếp bên trong xilanh nhờ bộ phận đặc biệt như bơm cao áp và vòi phun Hỗn hợp này tự bốc cháy do bị nén ở nhiệt độ cao, chính là nguyên lý hoạt động của động cơ diesel Đây là loại động cơ hiệu quả nhờ quá trình đốt cháy diễn ra ngay trong xilanh mà không cần tia lửa điện.
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 làm việc theo quá trình cấp nhiệt đẳng tích, thường gồm các loại động cơ có tỷ số nén thấp từ 5 đến 12, như động cơ sử dụng xăng, nhiên liệu cồn và khí Loại động cơ này hoạt động dựa trên nguyên lý cấp nhiệt đẳng tích, giúp tối ưu hóa hiệu suất và phù hợp với các ứng dụng yêu cầu công suất trung bình đến thấp.
Động cơ hoạt động theo quá trình cấp nhiệt đẳng áp, thường gồm các loại động cơ có tỷ số nén cao (ε = 12–24), như động cơ phun nhiên liệu bằng không khí nén và tự bốc cháy hoặc động cơ sử dụng bột than Loại động cơ này nổi bật với khả năng chuyển đổi năng lượng nhiệt thành công suất cơ học hiệu quả, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi công suất lớn Tỷ số nén cao giúp nâng cao hiệu suất làm việc của động cơ, đồng thời tối ưu hóa quá trình đốt cháy nhiên liệu, góp phần giảm tiêu thụ nhiên liệu và phát thải khí độc hại.
+ 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 có thể được phân loại dựa trên việc có nén trước khi nạp hay không, điều này tương ứng với động cơ tăng áp và động cơ không tăng áp Động cơ tăng áp sử dụng khí nạp đã qua nén để tăng hiệu suất hoạt động, trong khi động cơ không tăng áp không thực hiện quá trình nén khí trước khi đốt Việc nén khí giúp cải thiện khả năng sinh công của động cơ, tối ưu hóa tiêu thụ nhiên liệu và giảm khí thải Do đó, quá trình nén khí nạp đóng vai trò quan trọng trong cấu tạo và hoạt động của các loại động cơ xe hơi.
+ 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;
Các loại động cơ theo số hàng xy lanh bao gồm động cơ 1 hàng, động cơ chữ V và động cơ hình sao, được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng khác nhau Ngoài ra, theo số trục khuỷu, động cơ có thể có một, hai hoặc ba trục khuỷu, mang lại khả năng vận hành tối ưu cho từng loại hình xe Đặc biệt, còn có các loại động cơ không có trục khuỷu, như động cơ piston quay Wallkel, mang đến công nghệ tiên tiến và hiệu suất cao.
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
Điểm chết của động cơ, gồm điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dưới (ĐCD), là các yếu tố cấu tạo quan trọng Điểm chết trên (ĐCT) là vị trí xa nhất của piston so với đường tâm trục khuỷu, còn điểm chết dưới (ĐCD) là vị trí gần nhất của piston so với trục khuỷu Những thông số này ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động và hiệu suất của động cơ.
Hành trình piston S (stroke) là khoảng cách từ điểm chết trên ĐCT đến điểm chết dưới ĐCD của piston khi chuyển động Độ dài của hành trình được xác định bằng công thức S = 2.R, trong đó R là bán kính quay của trục khuỷu Hiểu rõ về hành trình piston giúp tối ưu hóa hiệu suất của động cơ đốt trong.
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 thể hiện mức độ nén khí hòa hoặc không khí trong động cơ xăng hoặc diesel, đo bằng số lần piston dịch chuyển từ Đường cực dưới (ĐCD) lên Đường cực trên (ĐCT) Tỷ số nén cao giúp nâng cao công suất và hiệu suất vận hành của động cơ, góp phần tối ưu hóa khả năng hoạt động và tiết kiệm nhiên liệu Do đó, tỷ số nén là yếu tố quan trọng ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và công suất của động cơ, quyết định hiệu quả hoạt động tổng thể.
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
Khi động cơ hoạt động, trục khuỷu quay theo chiều mũi tên, khiến piston chuyển động tịnh tiến trong xi-lanh Một chu trình làm việc của động cơ xăng bốn kỳ gồm bốn hành trình chính: nạp, nén, cháy và giãn nở, thải, trong đó sinh công diễn ra trong hành trình cháy-giãn nở Để hoàn thành quá trình này, piston phải di chuyển lên xuống bốn lần, tương ứng với hai vòng quay của trục khuỷu (từ 0° đến 720°).
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,
Quá trình piston di chuyển từ điểm chết trên (ĐCD) lên điểm chết dưới (ĐCT) hoặc ngược lại được gọi là một kỳ trong chu trình làm việc của động cơ xăng bốn kỳ Chu trình này bao gồm bốn giai đoạn chính: nạp, nén, làm việc (đốt cháy), và xả Mỗi giai đoạn đảm bảo hoạt động hiệu quả của động cơ, giúp chuyển đổi năng lượng nhiên liệu thành công suất kéo Hiểu rõ các bước của chu trình bốn kỳ giúp tăng hiệu suất hoạt động của động cơ xăng và duy trì tuổi thọ của máy móc.
Trong hành trình nạp (hình 1-2a), khi trục khuỷu quay, piston di chuyển từ điểm ĐCT xuống ĐCD, làm mở xupáp nạp và đóng xupáp thải, gây giảm áp suất trong xi-lanh và hút hòa khí từ bộ chế hòa khí qua ống nạp vào xi-lanh Hành trình nạp được thể hiện bằng đường r - a trên đồ thị công, mô tả mối quan hệ giữa áp suất và thể tích làm việc của xi-lanh ở các vị trí khác nhau 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 hơn điểm chết trên (d1), giúp khí từ bên ngoài dễ dàng đi vào xy lanh khi piston đến ĐCT Góc α1 tương ứng với đoạn d1r gọi là góc mở sớm của xupáp nạp, còn việc xupáp nạp đóng muộn hơn so với vị trí piston ở điểm ĐCD (d2) nhằm tận dụng độ chân không còn lại và lực quán tính của dòng khí nạp để tăng lượng khí nạp vào xy lanh — gọi là góc đóng muộn của xupáp nạp, góc α2 Vì vậy, quá trình nạp không kết thúc ngay tại ĐCD mà còn kéo dài qua đó, vượt ra ngoài hành trình nén.
Trong một số chế độ tốc độ thấp, do quán tính của dòng khí nạp còn nhỏ (pd2>p0), một phần môi chất đã được nạp vào trong xy-lanh bị lọt ra ngoài trong giai đoạn góc đóng muộn của xupáp nạp, gọi là "hiện tượng thoái lui" Điều này dẫn đến góc quay trục khuỷu của quá trình nạp là (α1 + α180 + α2), lớn hơn góc trong hành trình nạp 180 độ.
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 (hình 1-2b), xupáp nạp và xupáp thải đều đóng, giúp piston dịch chuyển từ ĐĐC lên ĐĐT Quá trình này thúc đẩy hòa khí trong xy lanh bị nén lại, làm tăng áp suất và nhiệt độ bên trong xi-lanh, tối ưu hóa quá trình cháy sau này.
Quá trình nén trong động cơ biểu thị bằng đường aC” trên hình 1-3, nhưng thực tế bắt đầu khi các xupáp nạp và thải đóng kín hoàn toàn, tách khí trong xy-lanh khỏi môi trường bên ngoài Do đó, thời gian thực của quá trình nén (180° - α2) ngắn hơn so với thời gian lý thuyết (180°), ảnh hưởng đến hiệu suất của chu trình động cơ.
Sau khi quá trình nén kết thúc tại điểm C’ (hình 1-3), bu-gi số 7 của hệ thống đánh lửa phóng tia lửa điện để cháy hòa khí trong buồng đốt Góc ứng với đoạn từ C” đến C’, hay còn gọi là góc s (hình 1-3), đóng vai trò quan trọng trong quá trình đốt cháy hiệu quả và tối ưu hoạt động của động cơ Việc xác định chính xác góc s giúp nâng cao hiệu suất công suất và giảm lượng khí thải của hệ thống động cơ đốt trong.
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 (hình 1-2c), xupáp nạp và thải đóng, và quá trình cháy diễn ra từ cuối hành trình nén nhờ hoà khí được bugi đốt cháy, khiến tốc độ cháy của hoà khí tăng lên khi piston vừa đến ĐCT Áp suất sinh ra trong xi lanh tăng lên rất lớn, thể hiện bằng đường C’z trên đồ thị công, sau đó khí cháy giãn nở đẩy piston từ ĐCT xuống ĐCD, sinh ra công Trong quá trình này, áp suất và nhiệt độ của khí cháy đạt mức cao nhất, với pz từ 40 đến 70 kg/cm² và Tz từ 2300 đến 2800 K, đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh công của động cơ.
Trong hành trình thải (hình 1-2b), xupáp nạp vẫn đóng, trong khi xupáp thải mở để khí đã cháy được đẩy ra ngoài qua ống thải 9 khi piston từ ĐCT dịch chuyển lên ĐCD Để giảm áp suất trong xy lanh và tiết kiệm công suất tiêu hao, xupáp thải mở sớm hơn chút so với điểm ĐCD (góc 3 tại đoạn b’b), giúp khí còn lại trong xy lanh giảm, giảm công tiêu hao trong quá trình thải, đồng thời tăng lượng khí nạp vào Thời điểm đóng xupáp thải muộn hơn một chút so với piston tại ĐCT (điểm r’) với góc đóng muộn 4 tại đoạn rr’ Các điều chỉnh này giúp quá trình thải diễn ra hiệu quả hơn, giảm khí sót và nâng cao hiệu suất động cơ.
Xupáp thải mở sớm và đóng muộn khiến góc quay trục khuỷu dành cho quá trình thải (α3 + α180 + α4) lớn hơn góc của hành trình thải (α180) Áp suất khí thải nằm trong khoảng từ 1,0 đến 1,20 kg/cm², nhiệt độ của khí thải dao động từ 900 đến 1200 K Trên đồ thị công đoạn d1r, ký hiệu này thể hiện thời kỳ trùng điệp của xupáp nạp và xupáp thải, tức là khi cả hai xupáp cùng mở và góc liên quan là (α1 + α4), gọi là góc trùng điệp của hai xupáp (hình 1-4).
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 thực hiện bốn hành trình chính là nạp, nén, cháy giãn nở và thải, trong đó piston phải hoàn thành tất cả các quá trình này để hoạt động hiệu quả Trong quá trình nạp và nén, môi chất là không khí, không hoà khí, và nhiên liệu tự cháy nhờ nhiệt độ cao do không khí nén sinh ra mà không cần dùng tia lửa điện Chu trình làm việc của động cơ diesel 4 kỳ diễn ra liên tục, đảm bảo hiệu suất vận hành tối ưu, phù hợp với nhiều loại xe và máy móc công nghiệp hiện đại.
CƠ CẤU TRỤC KHUỶU THANH TRUYỀN
Các chi tiết cố định của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền
Đây là nơi lắp ráp các chi tiết quan trọng của động cơ, bao gồm thân máy chứa các xi-lanh và hộp trục khuỷu Đồng thời, khu vực này còn bố trí các bộ phận dẫn động trục cam, bơm dầu, bơm nhiên liệu, quạt gió giúp động cơ hoạt động hiệu quả Những thành phần này đóng vai trò thiết yếu trong quá trình vận hành của động cơ ô tô, đảm bảo hiệu suất và độ bền của xe.
- 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 chiếm từ 30-60% trọng lượng của toàn bộ động cơ, đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc và hiệu suất hoạt động Thân máy chịu lực khí thế lớn trong quá trình làm việc, giúp duy trì độ bền và ổn định của động cơ Ngoài ra, trọng lượng của các chi tiết gá lên thân máy góp phần vào khả năng chịu lực và tổng thể vận hành của hệ thống.
- 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 kim loại có giá thành rẻ, dễ đúc và sở hữu nhiều đặc tính công nghiệp quan trọng như khả năng gia công cơ khí tạo ra bề mặt nhẵn, chịu mòn tốt, giảm rung động và có độ bền cơ học cao Tuy nhiên, gang xám còn tồn tại nhược điểm như trọng lượng lớn, tính giòn, khả năng chống uốn kém và khó rèn hoặc không thể rèn Khi làm nguội nhanh trong khuôn, gang xám có thể bị biến trắng, ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của vật liệu.
Các động cơ thân máy đúc bằng hợp kim nhôm giúp giảm trọng lượng động cơ, nâng cao khả năng tản nhiệt và dẫn nhiệt tốt hơn so với gang Tuy nhiên, nhôm có nhược điểm về nhiệt độ hoạt động thấp và độ bền cơ học kém hơn gang, đòi hỏi cần cân nhắc trong thiết kế và sử dụng.
Các loại thân máy động cơ có hình dạng khác nhau tùy thuộc vào số xy-lanh và kiểu động cơ Thân máy kiểu thân xylanh, gồm thân đúc liền với xy-lanh, là thiết kế phổ biến giúp tối ưu hiệu suất làm việc Trong khi đó, loại thân máy vỏ thân, gồm ống lót riêng lắp vào thân chính, thường được sử dụng để dễ dàng bảo trì và thay thế Đối với các động cơ làm mát bằng nước, không gian xung quanh xy-lanh gọi là áo nước, giúp tăng khả năng làm mát hiệu quả và duy trì nhiệt độ hoạt động ổn định.
Hình 2-1 Thân máy kiểu thân xylanh -hộp trục khuỷu
1 Thân xylanh ; 2 Hộp trục khuỷu.
Thân xy lanh đúc liền với hộp trục khuỷu là loại thân máy kết hợp chặt chẽ, đảm bảo độ bền và ổn định trong hoạt động Hộp trục khuỷu thường được chia làm hai phần để dễ dàng trong quá trình lắp ráp và sửa chữa, giúp tối ưu hóa hiệu quả vận hành của động cơ Thiết kế này phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ chắc chắn cao, góp phần nâng cao tuổi thọ và hiệu suất hoạt động của máy móc.
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 xylanh rời là bộ phận khi thân xylanh tách rời khỏi hộp trục khuỷu và được lắp đặt bằng bulông hoặc gu giông, phổ biến trong các loại động cơ ôtô và máy kéo Kết cấu này, như mô tả trong hình 2-2a, thường được sử dụng rộng rãi trong động cơ ôtô máy kéo Một số động cơ tàu thủy chỉ sử dụng loại gu giông xuyên suốt từ nắp máy đến các te dầu, như hình 2-2b, nhằm đảm bảo khả năng chịu lực tốt Loại gu giông này chủ yếu phải chịu các lực sau, đảm bảo độ bền và hoạt động ổn định của động cơ.
Xylanh chịu lực là bộ phận chịu tác động lực trong các hệ thống máy móc Kết cấu của xylanh chịu lực thường được sử dụng trong động cơ máy bay và các loại động cơ làm mát bằng gió Chức năng chính của xylanh là chịu đựng lực tác dụng, đảm bảo hoạt động liên tục và hiệu quả của máy móc Đây là thành phần quan trọng giúp các thiết bị vận hành ổn định và bền bỉ trong điều kiện khắc nghiệt.
- 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)
Về nguyên tắc, có thể sử dụng cùng một rãnh giông hoặc các rãnh giông riêng rẽ để kết nối nắp và thân xy lanh với hộp trục khuỷu, giúp tối ưu hóa hiệu suất chuyển động (hình 2-3a, 2-3b) Xylanh có thể được thiết kế liền với thân hoặc rời dạng ống lót, sau đó lắp vào thân máy để phù hợp với từng yêu cầu kỹ thuật Thân máy loại này có mối liên hệ mật thiết với các thông số kỹ thuật như chiều dài, đường kính và áp suất làm việc, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hoạt động và độ bền của hệ thống.
+ 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 đúc bằng nhôm không cần gia công, chiếm khoảng 25-40% tổng diện tích tản nhiệt động cơ Chúng được bố trí gần hết chiều dài xi-lanh, từ mặt nắp ghép với xi-lanh đến mặt nắp ghép với hộp trục khuỷu, giúp nâng cao hiệu quả làm mát.
Các kích thước cơ bản của phiến tản nhiệt như chiều cao H, chiều dày S, khoảng thông gió L và khoảng cách giữa hai tấm S đều ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tản nhiệt của bộ phận này Trong các hệ thống làm mát bằng gió tự nhiên cho động cơ xe máy và ô tô, khoảng cách giữa các tấm tản nhiệt thường khoảng 8mm, còn chiều dày khoảng 3mm để tối ưu hiệu quả làm mát Chiều cao của phiến tản nhiệt phụ thuộc vào vật liệu chế tạo xylanh và thường nằm trong khoảng 14-20mm để đảm bảo hiệu quả tản nhiệt tối ưu.
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 (hình 2-4a) gồm hộp trục khuỷu chia thành hai nửa, trong đó nửa dưới chứa các te dầu Thân máy hoặc toàn bộ động cơ được lắp đặt bằng các gối đỡ để đảm bảo sự ổn định và hoạt động hiệu quả Đây là kiểu trục khuỷu phổ biến trong các động cơ ôtô và máy kéo.
Hộp trục khuỷu được thiết kế làm thành hai nửa, trong đó nửa dưới đóng vai trò làm bệ máy giúp cố định trục khuỷu và các chi tiết lắp ráp Toàn bộ các bộ phận của trục khuỷu, bao gồm trục khuỷu và các chi tiết liên quan, được đặt chắc chắn trên bệ máy để đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác của máy móc.
- 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 của máy được làm từ hình 2-4b và được chế tạo dưới dạng ống lót rồi lắp vào thân máy Lực khí thể truyền qua các guồng xuống vỏ thân, giúp giảm tải cho xilanh, vì vậy xilanh hoàn toàn không gặp phải lực chịu tải Thiết kế này giúp tăng độ bền và tối ưu hiệu suất hoạt động của máy.
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 chịu lực mạnh mẽ, được thiết kế gồm nhiều xy-lanh đúc liền hoặc rời nhau, tùy theo kiểu kết cấu như hàng thẳng, đối xứng hoặc chữ V Các xy-lanh thường được làm bằng chất liệu đúc, có hệ thống làm mát bằng nước và lòng xy-lanh được gia công chính xác để đảm bảo độ tròn, bóng bảy cao Phần trên của xy-lanh chứa các xy-lanh, trong khi phần dưới là cácte có ổ đặt trục khuỷu, trục cam và các hệ thống dầu bôi trơn để đảm bảo hoạt động trơn tru của động cơ Khối xy-lanh đúc rời thường tích hợp các đường dầu bôi trơn bên trong nhằm cung cấp dầu để bôi trơn các chi tiết cơ khí trong quá trình vận hành Xung quanh thân máy là nơi lắp đặt các bộ phận phụ trợ như bơm nước, bơm xăng, bộ chia điện, máy khởi động, máy phát điện, ống nạp và ống xả, tạo thành hệ thống hoàn chỉnh cho hoạt động của động cơ.
Các chi tiết chuyển động của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Piston được chế tạo bằng thép có sức bền cao nhưng nhẹ, giúp cải thiện hiệu suất động cơ Tuy nhiên, thép có hệ số dẫn nhiệt thấp và khó đúc, khiến việc sử dụng ít phổ biến hơn Một số hãng xe, như Ford của Mỹ và Junker của Đức, đã từng sử dụng thép để chế tạo piston trong chiến tranh thế giới thứ hai, thể hiện tính bền bỉ của vật liệu này dù hạn chế về kỹ thuật.
Hợp kim nhôm được sử dụng phổ biến để chế tạo piston nhờ vào những ưu điểm như nhẹ, dễ đúc và gia công, cùng với khả năng dẫn nhiệt cao và hệ số ma sát phù hợp với gang Tuy nhiên, do hệ số giãn nở dài, khe hở giữa piston và xy-lanh cần lớn để tránh kẹt, dẫn đến lượng khí lọt từ buồng cháy xuống trục khuỷu, gây khó khởi động và tiếng gõ khi piston đổi chiều Trong nhiệt độ cao, sức bền của hợp kim nhôm giảm mạnh, giảm từ 65 đến 79% khi nhiệt độ tăng từ 288K lên 323K, trong khi đó, gang chỉ giảm khoảng 18-20% Ngoài ra, piston hợp kim nhôm có khả năng chịu mòn kém và giá thành cao, là những nhược điểm cần xem xét trong quá trình sử dụng.
Hình 2.18 Piston ma sát thấp
Một số động cơ xăng sử dụng piston ma sát thấp được làm bằng hợp kim nhôm chứa silic, giúp giảm ma sát và nâng cao hiệu quả hoạt động Sau quá trình đúc và gia công, bề mặt piston được xử lý bằng hoá chất để ăn mòn phần nhôm bên ngoài, từ đó tạo ra các phần tử silic cứng chịu mòn, cải thiện khả năng chống mài mòn và tăng độ bền của piston.
Kết cấu của piston bao gồm các phần chính như đỉnh piston, đầu piston và thân piston, mỗi phần đều có nhiệm vụ và đặc điểm kết cấu riêng biệt (hình 2-19) Đỉnh piston đóng vai trò quan trọng trong việc hợp thành buồng cháy cùng với nắp máy và xylanh, đảm bảo hoạt động chính của động cơ.
Về mặt kết cấu đỉnh piston gồm các loại sau:
Đỉnh bằng là loại piston có hình dạng đơn giản với diện tích chịu nhiệt nhỏ, thể hiện qua hình 2-20a và 2-20i Kết cấu này phù hợp với các ứng dụng yêu cầu kết cấu đơn giản và khả năng chịu nhiệt tốt, thường được sử dụng trong các động cơ diesel buồng cháy dự bị và buồng cháy xoáy lốc để tối ưu hiệu quả hoạt động.
Đỉnh lồi của piston (hình 2.20b và 2.20j) nổi bật với khả năng chịu lực cao nhờ cấu trúc mạnh mẽ Thiết kế đỉnh mỏng nhẹ giúp giảm trọng lượng tổng thể của piston và mở rộng diện tích chịu nhiệt, góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động của động cơ Loại đỉnh này thường được sử dụng trong các loại động cơ xăng 4 kỳ và 2 kỳ có xu páp treo, đặc biệt trong các buồng cháy chỏm cầu để tối ưu hóa quá trình đốt cháy Hình 2.20c thể hiện cấu trúc đỉnh piston của động cơ 2 kỳ quét vòng qua cửa thải, trong đó phía dốc đứng được lắp để hướng luồng khí quét lên sát nắp xy-lanh rồi vòng xuống qua cửa thải nhằm mục đích làm sạch buồng cháy, nâng cao hiệu suất làm việc của động cơ.
Hình 2-20 Các dạng kết cấu đỉnh piston
Đỉnh lõm của piston (hình 2.20d và 2.20k) giúp tạo xoáy lốc nhẹ, thuận lợi cho quá trình hình thành khí hỗn hợp và cháy, nhưng có nhược điểm về sức bền kém và diện tích chịu nhiệt lớn hơn so với đỉnh bằng Loại đỉnh này được sử dụng trong cả động cơ diesel và động cơ xăng để cải thiện quá trình cháy nhiên liệu.
Đỉnh chứa buồng cháy cháy là thành phần thường gặp trong động cơ diesel, đặc biệt ở những động cơ có buồng cháy nằm trên đỉnh piston Kết cấu buồng cháy này cần đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật phù hợp với từng loại động cơ, nhằm tối ưu hiệu suất và đảm bảo độ bền của hệ thống Các đặc điểm của buồng cháy trên đỉnh piston giúp cải thiện quá trình đốt cháy nhiên liệu, tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải độc hại, góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động của động cơ diesel.
+ 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)
Để tối ưu hiệu suất đốt, cần tận dụng xoáy lốc của không khí trong quá trình nén, như trong buồng cháy Denta (hình 2.20f), buồng cháy Omega (hình 2.20g) và buồng cháy MAN Đồng thời, đầu piston có đường kính nhỏ hơn thân piston để đảm bảo hoạt động chính xác Kết cấu của đầu piston phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nhất định nhằm đảm bảo hiệu quả và độ bền của động cơ.
Bao kín tốt cho buồng cháy giúp ngăn khí cháy lọt xuống cacte dầu và dầu bôi trơn từ cacte sục lên buồng đốt, đảm bảo hiệu suất hoạt động của động cơ Thông thường, người ta sử dụng xéc măng để kín các khe hở trong buồng đốt, gồm hai loại chính: xéc măng khí dùng để tạo buồng cháy và xéc măng dầu để ngăn dầu sục lên buồng cháy Số lượng xéc măng phụ thuộc vào từng loại động cơ cụ thể, giúp tối ưu hiệu quả hoạt động Xéc măng được lắp lỏng trong rãnh xéc măng, có khả năng tự xoay trong rãnh để duy trì độ kín và giảm hao mòn trong quá trình hoạt động.
Tản nhiệt hiệu quả cho piston là rất quan trọng vì phần lớn nhiệt lượng sinh ra trong quá trình hoạt động của piston được truyền qua xéc măng tới xy lanh và môi chất làm mát Để đảm bảo quá trình tản nhiệt tốt, các kết cấu đầu piston thường được thiết kế đặc biệt nhằm nâng cao khả năng truyền nhiệt và giảm nhiệt độ của piston, từ đó kéo dài tuổi thọ và nâng cao hiệu suất vận hành của 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