7.Chuong II

Nhiệm vụ và yêu cầu đối với hệ thống phân phối khí − Cơ cấu phân phối khí dùng để thực hiện quá trình thay đổi khí trong xilanh động cơ: nạp khí vào xilanh và đẩy khí đã làm việc ra khỏi

CHƯƠNG II

THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ

Trang: 15

2.1 Lựa chọn hệ thống trao đổi khí

2.1.1 Nhiệm vụ và yêu cầu đối với hệ thống phân phối khí

− Cơ cấu phân phối khí dùng để thực hiện quá trình thay đổi khí trong xilanh động cơ: nạp khí vào xilanh và đẩy khí đã làm việc ra khỏi xilanh đảm bảo đủ lượng khí và đúng thời gian qui định

− Các kiểu cơ cấu phân phối khí trong động cơ Diesel hiện nay thường được sử dụng:

+ Cơ cấu phân phối khí kiểu xupap + Cơ cấu phân phối khí kiểu van trượt + Cơ cấu phân phối khí kiểu xupap và van trượt

2

4

a b

Hình 2.1 Cơ cấu phối khí kiểu xupap (a); kiểu van trượt(b).

1-Block; 2- Xilanh; 3- Píston; 4- Cửa nạp; 5- Cửa xả;

6- Xupap; 7- Gugiông; 8- Nắp xilanh.

− Cơ cấu phân phối khí kiểu xupap: Cơ cấu phân phối khí kiểu xupap được sử dụng rộng rãi vì cơ cấu này đơn giản, đảm bảo tính an toàn, tin cậy

trong quá trình làm việc Cơ cấu này gồm có: Trục phân phối khí, hệ thống truyền động cho nó, con đội, thanh đẩy, đòn gánh, các xupap nạp, xả và đế xupap Cơ cấu này sử dụng cho động cơ bốn kỳ

− Cơ cấu phân phối khí kiểu van trượt có ưu điểm như: đảm bảo tiết diện lưu thông, dễ dàng làm mát cơ cấu phối khí, độ ồn nhỏ nhưng kết cấu phức tạp, giá thành cao và chủ yếu sử dụng sử dụng trong động cơ hai kỳ quét vòng

Hình 2.2 Cơ cấu phối khí kiểu xupapvà van trượt

1- Block; 3- Píston; 5- Cửa xả; 7- Gugiông

2- Xilanh; 4- Cửa nạp; 6- Xupap; 8- Nắp xilanh.

− Cơ cấu phân phối khí kiểu xupap và van trượt: thưòng sử dụng cho động cơ hai kì nạp qua cửa và thải bằng xupap, khi đó piston làm nhiệm vụ van trượt, sử dụng cho động cơ hai kỳ quét thẳng qua xupap

−Khi tính toán và thiết kế hệ thống cơ cấu phân phối khí cần đảm bảo các yêu cầu sau đây :

+ Có cường độ chịu lực tốt

+ Đóng mở đúng thời gian quy định

+ Độ mở lớn để đảm bảo đủ lượng không khí cấp cho chu trình

và tại chỗ thay đổi tiết diện phải có góc lượn lớn để giảm sức cản cho dòng khí

và để dòng khí dễ lưu động

Trang: 17

+ Kết cấu xupap phải đảm bảo thoát nhiệt tốt.

+ Cần đảm bảo các lực tác dụng lên xupap trùng với đường tâm xupap để tránh làm cong đuôi xupap

+ Ít mòn và độ ồn bé

+ Dễ chế tao, dễ điều chỉnh, dễ sửa chữa và giá thành rẻ

2.1.2 Lựa chọn hệ thống trao đổi khí

Chọn hệ thống trao đổi khí kiểu xupap treo

1- Phân loại hệ thống trao đổi khí kiểu xupap

Với động cơ đốt trong kiểu piston trao đổi khí bằng xupap có hai phương án bố trí xupap là: xupap đặt và xupap treo

Hình 2.3 Phương án bố trí xupap đặt và xupáp treo

− Phương án bố trí xupap đặt chỉ dùng cho động cơ có tỉ số nén thấp

Nhược điểm:

+ Kết cấu buồng cháy không gọn nên nhiệt lượng tổn thất lớn làm giảm hiệu suất

+ Việc tăng tỉ số nén rất khó khăn nên ít được sử dụng

− Phương án bố trí xupap treo được sử dụng rộng rãi trong động cơ Diesel 4 kì và một số động cơ xăng

Ưu điểm:

+ Kết cấu buồng cháy nhỏ gọn, do đó tăng được lượng nhiệt dùng cho quá trình cháy

+ Tăng tỉ số nén một cách dễ dàng

Nhược điểm:

+ Các chi tiết chuyển động gây nhiều độ ồn lớn

+ Chế tạo phức tạp hơn

+ Làm tăng chiều cao của động cơ

Kết luận :

Với những ưu, nhược điểm nêu trên, chọn kết cấu phân phối khí kiểu xupap và phương án bố trí xupap là xupap treo

2- Bố trí xupap trên nắp xilanh

a) Loại hai xupap

Đây là loại dùng nhiều nhất, trong động cơ bốn kì có một xupap xả và một xupap nạp

Hình 2.4 Bố trí hai xupap trên nắp xilanh

Hình a: Xupap bố trí song song với đường trục, loại này dùng một cam

để truyền động

Hình b: Xupap bố trí thẳng góc với đường trục Đường nạp thải bố trí đối xứng qua nắp xilanh Dùng một hay hai trục cam để truyền động

Hình c: Xupap bố trí nghiêng một góc với đường trục Đường nạp thải

bố trí đối xứng qua nắp xilanh Dùng một hay hai trục cam để truyền động

Trang: 19

b) Loại ba xupap

Mỗi nắp xilanh có ba xupap

a b

Hình 2.5 Bố trí ba xupap trên nắp xilanh

Hình a: Một xupap nạp có đường kính tương đối lớn, hai xupap thải có đường kính bé hơn

Hình b: Hai xupap nạp, một xupap xả có đường kính lớn hơn

So với bốn loại xupap thì loại này không có ưu điểm gì đặc biệt và cấu tạo cũng không đơn giản nên ít dùng

c) Loại bốn xupap

Dùng trong động cơ cao tốc, công suất lớn trong đó có hai xupap nạp và hai xupap xả

Hình 2.6 Bố trí bốn xupap trên nắp xilanh

3- Phương án dẫn động xupap

Có hai loại dẫn động cho xupap: dẫn động cơ giới cho xupap và dẫn động thuỷ lực cho xupap

a) Dẫn động cơ giới (hình 2.7):

Hình 2.7 Cơ cấu dẫn động cơ giới cho xupap

1- Trục cam ; 2- Con đội ; 3- Đũa đẩy ; 4- Cò mổ ; 5- Xupap

− Nguyên lí hoạt động : Dẫn động cơ giới cho xupap bằng cơ cấu con đội, đũa đẩy, đòn bẩy (cò mổ) Đây là các cơ cấu động Cụ thể là cơ cấu này nhận chuyển động quay của trục cam dưới tác động của mặt cam lên con đội

và đũa đẩy, làm con đội và đũa đẩy sẽ chuyển động lên xuống Đầu còn lại của đũa đẩy được liên kết động với một đầu của đòn bẩy Đòn bẩy được cấu tạo sao cho có thể quay quanh một trục gắn cứng, khi đó đầu còn lại của đòn bẩy

sẽ trực tiếp tác dụng lên mặt tiếp xúc của đuôi xupap, làm xupap chuyển động lên xuống với một giới hạn thích hợp Giới hạn đó gọi là hành trình của xupap

− Ưu điểm của phương pháp này là: Cơ cấu dễ chế tạo, giá thành rẻ, có thể ứng dụng với nhiều loại động cơ tàu thuỷ

− Nhược điểm chính của phương pháp này là tồn tại khe hở nhiệt lớn,

do đó sẽ gây ra hiện tượng va đập mạnh làm các chi tiết nhất là chỗ tiếp xúc nhanh bị biến dạng và gây ra tiếng kêu trong quá trình hoạt động

b Dẫn động thuỷ lực cho xupap (hình 2.8) :

Trang: 21

Hình 2.8 Cơ cấu dẫn động thuỷ lực cho Xupap

1- Trục cam; 2- Con đội; 3- Lò xo; 4- Ống dẫn;

5- Nút xả; 6- Ống dẫn hướng xupap; 7-Đế xupap.

− Ưu điểm : Để tránh va đập giữa đầu đòn gánh và xupap, cơ cấu dẫn động cho xupap thải của động cơ bốn kì được chế tạo thêm bộ giảm chấn thuỷ lực, tự động điều chỉnh khe hở nhiệt của xupap Phương pháp này có độ tin cậy cao và cấu tạo đơn giản Việc giảm khối lượng các phần động sẽ hạn chế được lực quán tính của cơ cấu dẫn động cho xupap và giảm được độ mài mòn các bề mặt làm việc của xupap gây ra do tác động của các xung lực

− Nguyên lí hoạt động: Cơ cấu này được sử dụng cho các động cơ

Diesel hiện đại bao gồm: Con đội thuỷ lực (2) được dẫn động từ trục cam (1) Khi con đội thuỷ lực (2) đi lên, dầu sẽ bị nén và piston thuỷ lực sẽ tạo ra một

áp lực trong đường ống dẫn dầu (4) tác dụng lên đầu xupap Khi áp lực này

thắng được lực lò xo xupap thí xupap mở ra, đồng thời lò xo cũng bị nén Do

đó tồn tại một lực đàn hồi có xu hướng đẩy lò xo đi lên Khi cam ở vị trí thấp

sẽ làm cho con đội đi xuống, áp lực dầu giảm Lực lò xo thắng áp lực dầu và đẩy xupap đi lên đóng kín cửa thải

Kết luận:

− Chọn phương án dẫn động cho xupap:

Từ những phân tích ở trên và từ điều kiện áp dụng cho động cơ đang thiết kế, nên ta dùng phương án dẫn động cơ giới cho xupap

2.2 Tính toán sơ bộ kích thước của cơ cấu phối khí

2.2.1 Tính toán sơ bộ kích thước của cơ cấu nạp và của cơ cấu thải

t

Hình 2.9 Xupap

Dùng một xupap thải có dạng hình nấm có các thông số cơ bản sau đây :

− Đường kính họng của nấm xupap :

Trong đó :

D_ Đường kính piston, D = 280 mm;

− Chiều cao mở của xupap :

− Chiều rộng mặt nấm tiếp xúc với đế xupap :

(3÷5)

=

− Đường kính ngoài của nấm xupap :

e d

Trang: 23

− Góc nghiêng của xupap :

45

30÷

= α

− Đường kính đầu xupap :

dd = (0,18 ÷ 0,25)dh

− Bán kính góc lượn, r = 20 0

Kết quả :

Từ các thông số trên, ta có tiết diện lưu thông lý thuyết là :

α

π h cos d 0 , 5 h sin 2

trong đó :

h_Hành trình (độ nâng) của xupap

( )d h h

h = max = 0,18÷0,3 mm

h = 21 mm

Kết quả :

f = 4731,195 mm 2

2.3 Xây dựng đồ thị thời gian tiết diện hình học

Sau khi chọn được hình dáng, kích thước, phương hướng và góc phối khí của các xupap nạp, xupap thải, ta xây dựng đồ thị thời gian tiết diện:

Khi đường kính và góc côn của nấm xupap đã xác định, tiết diện lưu thông tức thời của xupap quyết định bởi quy luật động học của cam phân phối khí và pha phân phối khí

Dựa vào phương trình xác định tiết diện lưu thông:

) cos sin cos

πh d h

α

πhcos d 0,5hsin2

Trong đó :

h: Hành trình của xupap, trị số h phụ thuộc vào biên dạng cam d: Đường kính ngoài của nấm xupap, d = 92 (mm);

α: Góc nghiêng của xupap, α = 450

Ta sẽ xây dựng đồ thị thời gian tiết diện hình học dựa vào hành trình của xupap Muốn vậy, ta phải xác định được quy luật của độ nâng xupap biến thiên theo góc quay của trục cam

− Thiết kế dạng cam: Có hai phương pháp :

+ Lựa chọn quy luật chuyển động của cam (chủ yếu là quy luật gia tốc), rồi từ đấy phân tích hai lần để tìm quy luật của độ nâng xupap biến thiên theo góc quay của trục cam

+ Định sẵn dạng cam, mặt cam là tập hợp của những cung tròn , cung parabôn hoặc đường thẳng để dễ gia công Sau đó căn cứ vào quy luật nâng đã định, đạo hàm hai lần đối với góc quay của trục cam để tìm quy luật gia tốc rồi kiểm tra xem có phù hợp với yêu cầu về gia tốc cơ cấu phân phối khí hay không

Căn cứ vào hình XV-41 theo [1], thể hiện quy luật nâng hạ và quy luật gia tốc của ba loại cam lồi cung tròn, cam lồi cung parabôn và cam tiếp tuyến

Từ đây ta chọn dạng cam là cam tiếp tuyến (hình 2.10).

0°

20°

40°

50°

60°

70° 80° 90° 100° 110°

120°

130°

140°

150°

160°

170°

180°

10°

30°

hmax

Hình 2.10 Độ nâng xupap biến thiên theo góc quay trục cam

Độ nâng xupap biến thiên theo góc quay trục cam được ghi trong bảng 2.1

Trang: 25

Bảng 2.1:Sự thay đổi của độ nâng xupap và tiết diện

lưu thông theo góc quay truc cam

Góc quay trục cam Độ nâng xupap

Tiết diện lưu thông

Từ bảng 2.1, ta vẽ được đồ thị thời gian tiết diện hìnhhọc(hình2.11)

f

f

Hình 2.11 Đồ thị thời gian tiết diện hình học

2.4 Xác định trị số thời gian tiết diện của các thời kì

2.4.1 Các thông số trong quá trình trao đổi khí

a- Quá trình nạp

− Áp suất môi chất trong xilanh lúc bắt đầu mở xupap nạp

PH = Pa

Pa = 195000 (Pa).

– Áp suất không khí nạp, Pk = 216000 (Pa);

− Thể tích xilanh lúc bắt đầu thời kì nạp

4

05 , 1 9 ,

VN = 0,064 (m 3 ).

– Nhiệt độ không khí nạp,

) ( , 0 1

0

0 T K P

P T

m k









=

−

Trong đó :

m: Chỉ số nén đa biến, với máy nén ly tâm và tăng áp bằng Tuabin khí thải

m = 1,4 ÷ 1,6 ∆T: Nhiệt độ làm mát ( nếu có), ∆T = 50 ( 0 C);

P0: Áp suất môi trường, P0 = 130000 (Pa);

T0: Nhiệt độ môi trường, T0 = 303 ( 0 K);

Kết quả : với động cơ tăng áp :

Tk = 337,83 ( 0 K).

– Hệ số dư lượng không khí nạp:

K

ϕ =

0

0

0

T P

T P

K K

ϕ

trong đó :

ϕ0_ Hệ số dư lượng không khí nạp lí thuyết, ϕ0 = (1,4 ÷ 2,4);

ϕ0 = 2 Kết quả :

K

– Hệ số nạp 1. 1. . (1 )

r v

Ta

Tk Pk

Pa

γ ε

ε λ η

+

−

=

Trang: 27

η =1,016

Kết quả : φ =

v

k

η

ϕ = 1,046

b- Quá trình thải :

− Áp suất khí thải, Pb = 1074768 (Pa) (theo chương I);

− Nhiệt độ khí thải, Tb = 1288,189 ( 0 K) (theo chương I);

− Áp suất trên đường ống thải

Phụ thuộc cấu tạo của đường ống thải và điều kiện làm việc của động cơ Với động cơ tăng áp bằng Tuabin khí thải, ta chọn :

Pth = (0,85 ÷ 0,9)Pk

Pth = 0,184 (MPa).

− Áp suất trung bình trong xilanh thời kì thải cưỡng bức

PN = a(Pk - Pth) + Pth

trong đó : a-Hệ số giảm áp, với động cơ thải bằng xupap

a = (0,5 ÷ 0,9)

a = 0,7

Kết quả :

− Nhiệt độ sản vật cháy trong xilanh lúc bắt đầu thải cưỡng bức

m m

b

N b N

P

P T T

1

) (

−

= với m = 1,3

Kết quả :

TN = 880,25 ( 0 K).

2.4.2 Xác định trị số thời gian tiết diện của các thời kì thải tự do

Thay đổi môi chất trong động cơ bốn kì được bắt đầu từ thời kì thải tự do.

Thải tự do là sự lưu động của sản vật cháy từ xilanh ra đường ống thải nhờ chênh áp giữa xilanh và đường ống thải trong điều kiện (thể tích xilanh, tiết diện lưu thông của cửa thải, trạng thái môi chất trong xilanh và trong ống thải) thay đổi liên tục

Mục đích nghiên cứu thời kì thải tự do nhằm xác lập quan hệ giải tích giữa các thông số của chu trình công tác của động cơ cần tính với trị số thời gian tiết diện cần thiết cho quá trình thải tự do, đảm bảo cho quá trình nạp và thải cưỡng bức tiến triển thuận lợi

Nhờ quan hệ giải tích ấy có thể xác định trị số thời gian tiết diện cần thiết cho thời kì thải tự do, rồi dùng nó để kiểm nghiệm tính toán quá trình trao đổi khí của động cơ bốn kì

Vấn đề đặt ra khó và phức tạp nên trên thực tế, thường chỉ giới hạn trong cách giải gần đúng bằng cách giả thiết :

− Dòng môi chất đi qua cơ cấu thải là dòng một chiều, ổn định, không có sức cản, không trao đổi nhiệt với môi trường (lưu động đoạn nhiệt)

− Áp suất trên đường thải Pth và trong bình khí nạp Pk luôn không thay đổi

Thời gian tiết diện của thời kì thải tự do gồm hai giai đoạn : + Thời gian tiết diện của thải sớm: Ats0

+ Thời gian tiết diện của thải tự do: Atd0

a) Trị số thời gian tiết diện của thời kì thải sớm

Tốc độ lưu động của dòng khí qua cửa thải của giai đoạn này đạt tốc độ giới hạn bằng tốc độ truyền âm của khí thải ở trạng thái giới hạn, phụ thuộc thông số trạng thái của sản vật cháy trong xilanh

Trị số thời gian tiết diện cần của thời kì thải sớm :

























−

−









=

b

H H

b B

TB ts

V

V p

p T

V

115 , 0

Trong đó :

VTB: thể tích trung bình của xilanh lúc bắt đầu mở cửa thái đến

lúc bắt đầu mở cửa quét ; (m2s)

VTB = (Vb+VH)/2 (m 2 s);

Trang: 29

Với : Vb: Thể tích của xilanh lúc bắt đầu mở cửa thải;

Vb = (S-ht).π.D2/4 (m3);

VH: Thể tích của xilanh lúc bắt đầu mở cửa quét;

VH = (S-hq).π.D2/4 (m3);

μ: Hệ số lưu lượng của cơ cấu thải sớm

b) Trị số thời gian tiết diện của thời kì thải tự do

Trị số thời gian tiết diện cần của thời kì thải tự do :

























−

−















=

b

N N

th th

b

b

TB td

V

V p

p p

p T

V

115 , 0

µ

(m 2 s);

Kết quả :

td

Kiểm tra lại theo công thức :

(0,9 1,1)

0

÷

=

td

td

A A

td

td

A

A0

= 1,05 ⇒ Thoả mãn

2.4.3 Xác định trị số thời gian tiết diện của các thời kì thải cưỡng bức :

Trị số thời gian tiết diện của thời kì thải cưỡng bức được xác địng bằng công thức :

) (

N

N N b

b b k K

h N t t

n t

RT

V P RT

V P v

V P

RT

ψ

Trong đó :

v k: Thể tích riêng của khí nạp, v k = 49,726 (m3);

ϕk: Hệ số dư lượng khí nạp, ϕk=1,063 ;

TN: Nhiệt độ sản phẩm cháy trong xilanh lúc bắt đầu thời kì thải cưỡng bức

Tn: Nhiệt độ trung bình của khí trong xilanh trong suốt thời kì nạp thải cưỡng bức

k N n

T T

( 0 K);

t

γ : Hệ số lưu lượng tính toán, γt = 0,6 (tra bảng);

t

ψ : Hàm số lưu lượng





























−









−

=

+

k k

N th k

N

th t

p

p p

p k

k

1 2

1

2

ψ

k_ Hệ số đoạn nhiệt, (với sản vật cháy) k = 1,3;

Kết quả :

t

Kiểm tra lại theo công thức :

(0,9 1,1)

0

÷

=

t

t

A A

t

t

A

A0

2.4.4 Xác định trị số thời gian tiết diện của các thời kì nạp khí

Trị số thời gian tiết diện của thời kì nạp khí được xác định bằng công thức :

o k q q

k h

q

T p

T p V A

ψ µ

σ0 0

0 0,59

trong đó :

0

σ : Hệ số dư lượng khí nạp, σ0 = 1,6 ;

VH: Thể tích công tác của xilanh

4

2

D

V H =π k: Chỉ số nén đoạn nhiệt, k = 1,4 (với không khí);

q

ψ : Hàm lưu lượng





























−









−

=

+

k k

N th k

N

th q

p

p p

p k

k

1 2

1

2

ψ

Trang: 31

µ : Hệ số lưu lượng của cơ cấu nạp

(0,7÷0,75)

=

q

µ (với động cơ nạp thẳng);

75 , 0

=

q

µ

Kết quả :

0

q

A = 0,00001632 (m 2 s).

Kiểm tra lại theo công thức :

(0,9 1,1)

0

÷

=

q

q

A A

q

q

A

A0

= 1,04 ⇒ Thoả mãn