Nguyên lý kết cấu động cơ đốt trong - Chương 4 doc

Hệ thống bôi trơn trên động cơ đốt trong có nhiệm vụ cung cấp một lượng dầu bôi trơn với áp suất và lưu lượng thích hợp đến các bề mặt của những chi tiết máy có chuyển động tương đối nhằ

Chương 4

HỆ THỐNG BÔI TRƠN

I NHIỆM VỤ

Khi động cơ 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 sẽ tạo ra giữa các bề mặt và

giá trị nhiệt độ này càng lớn đối với

những chi tiết trong buồng cháy Hệ thống

bôi trơn trên động cơ đốt trong có nhiệm

vụ cung cấp một lượng dầu bôi trơn với 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 và giúp các

chi tiết ăn khớp đều với nhau

- Làm mát động cơ

- Rửa sạch bề mặt các chi tiết

- Giảm tiếng ồn

II DẦU LÀM TRƠN VÀ CÁC ĐẶC

TÍNH CƠ BẢN

II.1 Công dụng của dầu bôi trơn

Trong quá trình động cơ làm việc, dầu nhờn có các tác dụng chính sau:

- Làm trơn các bề mặt có chuyển động tương 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 vảy kim loại bị tróc ra khỏi bề mặt

ma sát Những thành phần này được dầu bôi trơn cuốn trôi và giữ lại trong các bầu lọc

- Làm mát các chi tiết, đặt biệt là các chi tiết chịu nhiệt độ cao trong quá trình làm việc

(piston, xylanh, ) Dầu từ hệ thống bôi 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 trong như piston, xylanh, xécmăng,

- Chống ôxi hoá, bảo vệ được các chi tiết do trong dầu bôi trơn có các chất phụ gia có khả

năng chống ôxi hoá bề mặt kim loại

II.2 Một số thông số sử dụng của dầu bôi trơn

Chỉ số SAE (Society of Automotive Engineers – Hiệp hội kỹ sư ô tô Hoa Kỳ) được ban hành vào

tháng 06 năm 1989 Chỉ số SAE cho biết cấp độ nhớt của dầu bôi trơn, gồm có hai loại:

Hình 4.1 Hệ thống bôi trơn trên động cơ

1 – đường dầu phía trên (bôi trơn các cổ trục cam)

2 – lọc dầu; 3 – đường dầu chính 4 – cacte chứa dầu;

5 – đường dầu đến bơm; 6 – bơm dầu

- Loại đơn cấp : là loại chỉ có một chỉ số độ nhớt, ví dụ : 40, 50, 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 ÷ -50oC Các cấp độ nhớt không có chữ W, dựa trên chỉ số độ nhớt ở 100oC

- 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 như loại 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 – Viện hoá dầu Hoa Kỳ) 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 dụ : API-SG/CD – có 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 có nghĩa ưu tiên sử dụng cho động cơ đó

II.3 Các đặc tính cơ bản của dầu bôi trơn

II.3.1 Đặc tính về độ nhớt nhiệt độ

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

- Ở nhiệt độ thấp, dầu bôi trơn cần phải đủ loãng để 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

II.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

II.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 supap 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 tế nhiên liệu là yếu tố quan trọng của dầu bôi trơn động cơ

II.3.4 Chống ôxi 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 mà còn 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 thì quá 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

II.3.5 Kéo dài tuổi thọ của 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.3.6 Khả năng chống tạo bọt

Sự có mặt của thể khí trong quá trình bôi trơn: từ nhiên liệu, nước, không khí, luôn có hại tới sự bôi trơn của động cơ Thậm chí trong những tỷ lệ rất nhỏ, một lượng dầu bôi trơn bị sôi lên và bốc hơi chính hơi này tạo thành áp suất nén dầu ngược trở lại và kết quả làm cho dầu di chuyển khó khăn dẫn đến mất công suất động cơ

Nguyên nhân do nhiệt độ động cơ và các khối lượng chuyển động quay gia tăng tốc độ làm khuấy dầu và sinh bọt dầu Để ổn định và giảm tạo bọt thì sự có mặt của những chất hoạt hóa và những chất tẩy rửa là hết sức cần thiết Những loại dầu hiện nay xuất hiện trên thị trường đều có khả năng chống tạo bọt rất tốt

II.3.7 Giảm khả năng tạo nhũ tương

Nhũ tương được hình thành do sự hiện diện của nuớc và hơi nước trong dầu nhờn Đặc biệt đối với những loại dầu có chứa phụ gia Sự có mặt của những chất tẩy rửa, chất phân tán sẽ làm ổn định lại chất lượng dầu khi bị tạo nhũ

Khi nhũ tương được tạo ra, nước sẽ phát sinh làm kim loại bị oxi hóa Ngoài ra, nó còn kết hợp với muội than trên buồng đốt hình thành một hỗn hợp làm giảm khả năng bôi trơn của dầu dẫn đến giảm hiệu suất động cơ

Những loại dầu bôi trơn hiện nay đã được cải tiến để giảm bớt xu hướng tạo nhũ tương kết hợp với việc cải tiến hệ thống thông hơi động cơ

III CÁC LOẠI HỆ THỐNG BÔI TRƠN

III.1 Bôi trơn bằng vung tóe

Nguyên lý làm việc (hình 4.2)

Dầu bôi trơn chứa trong các-te, khi động cơ làm việc, các gầu nằm ở đầu to của thanh truyền sẽ múc dầu bôi trơn và làm văng tung toé vào hộp trục khuỷu, tạo nên các hạt có kích thước rất nhỏ Các giọt dầu đọng lại trên bề mặt các chi tiết, bôi trơn cho các chi tiết này sau đó chảy lại xuống máng rồi lại được các gầu múc lên

Hệ thống bôi trơn này có kết cấu

đơn giản, tuy nhiên đối với động cơ có

nhiều chi tiết thì hiệu quả bôi trơn kém do

khó đưa một lượng dầu cần thiết đến các bề

mặt phức tạp

Chính vì vậy, hệ thống bôi trơn này

ít thông dụng chỉ thích hợp cho các động cơ

công suất nhỏ

III.2 Bôi trơn bằng dầu pha trong

nhiên liệu

Phương pháp này được dùng cho

những động cơ xăng 2 kỳ Trong trường hợp

này, dầu bôi trơn trộn lẫn nhiên liệu (xăng)

theo tỉ lệ 1/15 đến 1/25 thể tích và người ta

rót dầu vào bình nhiên liệu

- Tỉ lệ dầu nhờn cao 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 ra

nhiệt lớn, piston dễ bị bó kẹt

trong xylanh

Trong quá trình động cơ làm việc, các hạt dầu bôi trơn được cấp cùng với nhiên liệu vào xylanh và các-te, ở đây các hạt dầu đọng lại trên những bề mặt công tác của các chi tiết Mặt khác, dầu nhờn còn theo các rãnh dầu vào các bề mặt ấy Dầu bôi trơn đã sử dụng được bao bọc bởi hỗn hợp nhiên liệu và bị cuốn hút vào buồng đốt, ở đó dầu bôi trơn cũng cháy như nhiên liệu và theo khí

thải ra ngoài Hệ thống bôi trơn bằng bằng dầu pha trong nhiên liệu (hình 4.1b) đa số sử dụng cho động cơ hai kỳ

III.3 Bôi trơn cưỡng bức

Hầu hết các động cơ hiện nay đều dùng phương pháp bôi trơn cưỡng bức Đây là phương pháp bôi trơn hoàn thiện nhất, dầu bôi trơn được đưa đến bề mặt làm việc của các chi tiết Đặc điểm chủ yếu của hệ thống này là các chi tiết quan trọng đều được bôi trơn đầy đủ bằng lưu lượng và áp suất dầu thích hợp do bơm dầu cung cấp

Hệ thống bôi trơn cưỡng bức chia ra làm 2 loại:

- Hệ thống bôi trơn các-te ướt

- Hệ thống bôi trơn các-te khô

III.3.1 Hệ thống bôi trơn các-te ướt

Sơ đồ nguyên lý hệ thống bôi trơn các-te ướt được thể hiện trên (hình 4.3) Gọi đây là hệ thống bôi trơn các-te ướt bởi toàn bộ lượng dầu bôi trơn được chứa trong các-te của động cơ

Nguyên lý làm việc của hệ thống bôi trơn cưỡng bức dùng các-te ướt

3

4

1

2

Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống bôi trơn

bằng vung toé và bằng dầu pha trong nhiên liệu

1 – các rãnh dẫn dầu, 2 – hộp trục khuỷu

3 – các-te, 4 – gàu tát dầu

Hình 4.3 Hệ thống bôi trơn các-te ướt

1 Các-te dầu

2 Phao hút dầu

3 Bơm

4 Van an toàn bơm dầu

5 Bầu lọc thô

6 Van an toàn lọc dầu

7 Đồng hồ báo áp suất dầu

8 Đường dầu chính

9 Đường dầu bôi trơn trục khuỷu

10 Đường dầu bôi trơn trục cam

11 Bầu lọc tinh

12 Két làm mát dầu

13 Van khống chế lưu lượng dầu qua két làm mát

14 Đồng hồ báo nhiệt độ dầu

15 Nắp rót dầu

16 Que (thước) thăm dầu

Bơm dầu được dẫn động từ trục cam hoặc trục khuỷu Dầu trong các-te 1 được 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 tùy động nên luôn nổi trên mặt thoáng để hút được dầu, kể cả khi động cơ nghiêng Sau khi qua bơm, dầu có áp suất cao (sấp sỉ 10 kG/cm2) chia thành hai nhánh Một nhánh đến két 12 để làm mát rồi về các-te Nhánh còn lại 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 đến bôi trơn đầu to thanh truyền, chốt piston và theo đường dầu 10 đi bôi trơn trục cam, Cũng từ đường dầu chính một lượng dầu khoảng 15  20% lưu lượng dầu chính đến bầu lọc tinh 11 tại đây những phần tử tạp chất nhỏ được giữ lại nên dầu được lọc rất sạch Sau khi ra khỏi lọc tinh áp suất nhỏ dầu được chảy về các-te 1

Van an toàn 4 có tác dụng trả dầu về phiá trước bơm khi động cơ làm việc ở tốc độ cao Bảo đảm áp suất dầu trong hệ thống không đổi ở mọi tốc độ làm việc của động cơ

Khi bầu lọc thô 5 bị tắc, van an toàn 6 của bầu lọc thô sẽ mở, dầu bôi trơn vẫn lên được đường ống chính Bảo đảm cung cấp lượng dầu đầy đủ để bôi trơn các bề mặt ma sát

Khi nhiệt độ quá cao (khoãng 80C) do độ nhớt giảm, van khống chế lưu lượng 13 sẽ đóng hoàn toàn để dầu qua két làm mát rồi trở về các-te

Hệ thống bơi trơn các-te ướt có điểm hạn chế là do dầu bôi trơn chứa hết trong các-te, nên các-te sâu và làm tăng chiều cao động cơ Dầu bôi trơn tiếp xúc với khí cháy nên giảm tuổi thọ của dầu

III.3.2 Hệ thống bôi trơn các-te khô

Sơ đồ hệ thống bôi trơn các-te khô được thể hiện trên hình 4.4 Hệ thống này khác với hệ thống bôi trơn các-te ướt ở chỗ, có hai bơm 2 làm nhiệm vụ chuyển dầu sau khi bơi 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 vận chuyển đi bôi trơn giống như ở hệ thống các-te ướt

Hình 4.4 Hệ thống bôi trơn các-te khô

1 Các-te

2 Bơm chuyển

3 Thùng dầu

4 Lưới lọc sơ bộ

5 Bơm dầu đi bôi trơn

6 Bầu lọc dầu

7 Đồng hồ báo áp suất dầu

8 Đường dầu chính

9 Đường dầu bôi trơn trục khuỷu

10 Đường dầu bôi trơn trục cam

11 Bầu lọc tinh

12 Đồng hồ báo nhiệt độ dầu (nhiệt kế)

13 Két làm mát dầu

Hệ thống này khắc phục nhược điểm của hệ thống bơi trơn các-te ướt Do thùng dầu 3 được đặt bên ngoài nên các-te không sâu, làm giảm chiều cao động cơ và tuổi thọ dầu bôi trơn cao hơn Tuy nhiên hệ thống phức tạp vì có thêm các bơm chuyển và các bộ phận để dẫn động chúng

IV KẾT CẤU MỘT SỐ BỘ PHẬN CHÍNH

IV.1 Mạch dầu làm trơn động cơ xăng – Diesel

IV.2 Bơm dầu

Để tạo áp suất cao với lưu lượng dầu thích hợp bôi trơn cho các chi tiết chuyển động, người ta

thường dùng bơm bánh răng, bơm phiến gạt,

IV.2.1 Bơm bánh răng ăn khớp ngoài

Bánh răng chủ động 4 được dẫn động từ trục khuỷu hay trục cam Khi cặp bánh răng quay, dầu bôi trơn từ đường dầu áp suất thấp được lùa sang đường dầu áp suất cao theo chiều mũi tên Để tránh hiện tượng chèn dầu giữa các răng khi vào khớp, trên mặt dầu của nắp bơm có phay rãnh giảm áp 3 Van an toàn gồm lò xo 10 và bi cầu 11 Khi áp suất trên đường ra vượt quá giá trị cho phép, áp lực dầu thắng sức căng lò xo mở bi cầu 11 để tạo ra dòng dầu chảy ngược về đường dầu áp suất thấp

Các piston và xylanh

Các thanh truyền

Trục khuỷu

Các bánh răng dẫn động

Con đội và các chi tiết

Các mỏ cam

Các cổ trục cam Nắp máy

Lọc tinh

Bơm nhớt

Lọc thô

Van mạch tắt

Các-te chứa dầu Hình 4.5 Sơ đồ khối mạch dầu bôi trơn trên động cơ xăng và Diesel

IV.2.2 Bơm bánh răng ăn khớp trong

Sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên (hình 4.7) Bánh răng chủ động (1) được dẫn động bởi trục khuỷu Khi bánh răng chủ động quay, nó sẽ làm bánh răng bị động (2) quay theo, nhớt sẽ được hút từ các-te vào bơm và sau đó nhớt sẽ được đưa đến lọc tinh

Loại bơm bánh răng ăn khớp trong thường dùng cho động cơ ô tô du lịch do yêu cầu kết cấu gọn nhẹ

Hình 4.7 Bơm bánh răng ăn khớp trong

1 Bánh răng chủ động

2 Bánh răng bị động

3 Vành khuyết

IV.2.3 Bơm phiến trượt (Bơm cánh gạt)

Sơ đồ kết cấu như (hình 4.8) 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

Hình 4.6 Bơm dầu bánh răng ăn khớp ngoài

1 Thân bơm

2 Bánh răng bị động

3 Rãnh giảm áp

4 Bánh răng chủ động

5 Đường dầu ra

6 Đường dầu vào

7 Đệm làm kín

8 Nắp van điều chỉnh

9 Tấm đệm điều chỉnh

10 Lò xo

11 Van bi

1

2

3

Hình 4.8 Bơm cánh gạt.

1 Thân bơm

2 Đường dầu vào

3 Cánh gạt

4 Đường dầu ra

5 Rôto

6 Trục dẫn động

7. Lòxo

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 thân bơm rất nhanh

IV.3 Lọc dầu

Theo chất lượng lọc có hai loại: Bầu lọc thô và bầu lọc tinh

Bầu lọc thô: Thường lắp trực tiếp trên đường dầu đi bôi trơn nên lưu lượng dầu phải đi qua lọc

rất lớn Lõi lọc gồm những tấm kim loại, đặt cách nhau bằng những tấm đệm trung gian (dày 0,09 ÷ 0,1 mm) lắp trên một trục chung Khi chảy qua các khe, dầu nhờn được làm sạch hết những chất bẩn lớn Lọc thô lọc được cặn bẩn có kích thước lớn hơn 0,03 mm (hình 4.9)

Hình 4.9 Kết cấu của bình lọc thô

1 – nắp van thoát; 2 – lò xo van thoát; 3 – bi; 4 – thân bình lọc;

5 – trục của các tấm làm sạch; 6 – cốc lắng; 7 – nút xả;

8 – tay quay trục trung tâm của bộ phận lọc; 9-tấm lọc; 10-tấm trung gian; 11-tấm làm sạch;

12 – tấm đệm giữa thân bình lọc và cốc lắng; 13 – trục giữa; 14 – trục trung tâm của bộ phận lọc

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14