8.Chuong III

Những chú ý khi thiết kế hệ thống phân phối khíKhi thiết kế cơ cấu phân phối khí, cần chú ý đến những vấn đề sau : − Cường độ của quá trình làm việc đặc biệt là quá trình thải khí, mức đ

CHƯƠNG III

THIẾT KẾ MỘT SỐ THIẾT BỊ CỦA HỆ THỐNG PHỐI KHÍ

3.1 Những chú ý khi thiết kế hệ thống phân phối khí

Khi thiết kế cơ cấu phân phối khí, cần chú ý đến những vấn đề sau :

− Cường độ của quá trình làm việc (đặc biệt là quá trình thải khí), mức

độ tải trọng cũng như tốc độ quay của động cơ làm cho điều kiện làm việc của xupap thêm nặng nề vì làm tăng thêm lượng nhiệt đi qua xupap và lực quán tính của các chi tiết trong cơ cấu phối khí cũng tăng lên

− Kết cấu của nắp xilanh (đặc biệt là ở những vùng bố trí ổ đặt và phần dẫn hướng của xupap) cần bố trí cho các thành vách trong xilanh có bề dầy đều nhau, tránh gây biến dạng cho vùng đặt ổ xupap Nếu bị biến dạng, xupap

sẽ không thể đậy kín, cả mép vát xupap lẫn ổ đặt của nó sẽ bị cháy dần, làm mất tác dụng kín khít của cặp lắp ghép này

− Kết cấu của xupap phải đảm bảo thoát nhiệt tốt

− Kết cấu của các chi tiết truyền động cho xupap cần đảm bảo cho các lực tác dụng có phương trùng với đường tâm xupap, tránh làm cong xupap

− Vật liệu chế tạo xupap cần có cơ tính tốt, phải bền, dẻo và chịu được

ở nhiệt độ cao, thép crôm hoặc thép niken có nhiệt luyện

3.2 Xupáp

3.2.1 Phương án bố trí Xupáp

Các động cơ đốt trong có cơ cấu phối khí dùng xupap ngày nay đều bố trí xupap theo một trong hai phương án chủ yếu là bố trí xupap đặt và xupap treo Đối với động cơ diesel 4 kì, cơ cấu phối khí thường dùng xupáp treo

Độngcơ Diesel chỉ dùng phương án bố trí xupap treo vì dung tích buồng cháy của động cơ Diesel nhỏ, tỉ số nén rất cao Khi dùng cơ cấu phân phối khí xupap treo, buồng cháy rất gọn, diện tích mặt truyền nhiệt nhỏ Vì vậy giảm được tổn thất nhiệt và tăng hiệu suất động cơ Cơ cấu phân phối khí xupap treo còn làm cho dạng đường nạp thải thanh thoát hơn khiến sức cản khí động nhỏ Đồng thời, do có thể bố trí xupap hợp lí hơn, nên có thể tăng được tiết diện lưu thông của dòng khí Những điều đó làm cho hệ số nạp tăng lên 5% ÷ 7%

Tuy vậy, cơ cấu phân phối khí xupap treo cũng tồn tại một số khuyết điểm cơ bản của cơ cấu này là dẫn động xupap phức tạp và làm tăng chiều cao của động cơ Ngoài ra, bố trí xupap treo làm cho nắp xilanh trở nên hết sức phức tạp, rất khó đúc và độ ồn lớn

34

3.2.2 Điều kiện làm việc của Xupáp

Trong quá trình làm việc, mặt nấm xupap chịu phụ tải động và phụ tải nhiệt rất lớn Lực khí thể tác dụng trên diện tích mặt nấm xupap là rất lớn, có thể lên đến 0,1÷ 0,2 (MPa) Trong động cơ cường hoá và tăng áp, lực này có thể tăng lên đến 0,3 (MPa) Hơn nữa, mặt nấm xupap luôn luôn va đập mạnh với mặt đế xupap nên rất dễ bị biến dạng Do xupap tiếp xúc trực tiếp với khí cháy nên xupap còn phải chịu nhiệt độ rất cao Nhiệt độ của xupap trong động

cơ Diesel đạt đến 773 ÷ 873 (0K) Nhất là trong thời kì thải khí, nấm và thân xupap phải tiếp xúc với dòng khí thải có nhiệt độ rất cao Đối với động cơ Diesel, nhiệt độ dòng khí thải vào khoảng 973 ÷ 1173 (0K) Hơn nữa, tốc độ của dòng khí thải là rất lớn (khi mới bắt đầu thải, tốc độ dòng khí thải có thể đạt đến 400÷600 m/s) nên khiến cho xupap, nhất là xupap thải thường dễ bị quá nóng và bị dòng khí ăn mòn

Ngoài ra, do trong nhiên liệu còn có lưu huỳnh nên khi cháy tạo thành axit ăn mòn mặt nấm xupap

3.2.3 Vật liệu làm xupáp

Yêu cầu đối với vật liệu làm xupap:

− Yêu cầu cơ bản đối với vật liệu làm xupap là có khả năng chống ăn mòn cao để tránh sự ăn mòn của hơi nước, tạp chất trong nhiên liệu lúc nhiệt

độ cao, phải có độ cứng cao, chịu mài mòn tốt

− Vì lúc đóng vào, đế xupap chịu lực xung kích, do đó cường độ chịu lực của xupap phải lớn, đồng thời khối lượng vận động phải bé

− Để đảm bảo được tính năng làm việc thì nhiệt độ của xupap không được quá cao

− Xupap ngoài yêu cầu làm kín tốt ra, thì phải đảm bảo tổn thất lưu động là nhỏ

− Vật liệu dùng để chế tạo xupap phải có sức bền cơ học cao, chịu nhiệt tốt, chống được ăn mòn hoá học và hiện tượng xâm thực của dòng khí thải khi

Với các yêu cầu trên, vật liệu dùng để chế tạo xupap thường dùng các loại thép hợp kim: X9C2, X10CM, X12H7C…

3.2.4 Cơ cấu dẫn động cho Xupáp

a) Nhiệm vụ của cơ cấu truyền động

Nhiệm vụ chính của cơ cấu này là đảm bảo cho xupap đóng mở đúng lúc và chuyển động theo một quy luật nhất định

b) Phương pháp dẫn động cho Xupáp:

− Với động cơ này em chon phương án dẫn động bằng cơ giới: (hình 3.1)

− Nguyên lí hoạt động: (đã trình bày ở chương II)

Hình 3.1 Cơ cấu dẫn động cơ giới cho xupap

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

Từ những phân tích ở trên và từ điều kiện áp dụng thực tế, đối với động

cơ 4 kỳ công suất 2500 KW ta chọn phương án dẫn động cơ giới cho xupap

c) Tính toán khe hở nhiệt cho cơ cấu truyền động (hình 3.3)

36

k

Hình 3.2 Khe hở nhiệt của cơ cấu truyền động

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

Khi động cơ từ trạng thái nguội được nóng dần lên, thì thân động cơ cũng như các chi tiết của cơ cấu truyền động cho xupap đều nóng lên và giãn

nở nhiệt khác nhau tuỳ theo nhiệt độ của động cơ Dĩ nhiên, độ dãn dài tỉ lệ với nhiệt độ và phụ thuộc vào vật liệu chế tạo Trong các động cơ được làm mát bằng nước, độ giãn nở nhiệt của các chi tiết truyền động cho xupáp thường lớn hơn độ giãn nở nhiệt của thân động cơ

Vì vậy, nếu ở trạng thái nguội, trong các chi tiết của cơ cấu truyền động cho xupap không có khe hở dự trữ, thì khi động cơ chuyển sang trạng thái nóng, do có sự giãn nở nhiệt chênh lệch như đã nói, các xupap không thể đặt kín vào ổ đặt của nó Điều đó dẫn đến sự quá nhiệt của các xupap và có sự rò lọt khí từ xilanh ra ngoài

Để đảm bảo cho động cơ làm việc bình thường, khi động cơ đang

nguội, giữa các chi tiết của hệ truyền động cho xupap phải có khe hở nhiệt k.

Khe hở nhiệt có thể được đo theo trục của con đội, hay theo hướng trục của xupáp Ở các loại động cơ đang được sử dụng hiện nay, khe hở nhiệt thường nằm trong khoảng sau :

Trong đó :

hcd: Hành trình lớn nhất của con đội

Hình dáng và kết cấu của nấm xupap ảnh hưởng đến:

− Tính cứng chắc của nấm xupap Đó là yếu tố quan trọng để đảm bảo hình dáng của xupap chính xác lúc động cơ làm việc, ảnh hưởng gián tiếp đến năng lực làm việc của xupáp

− Trọng lượng xupap tức là lực quán tính tịnh tiến lớn hay nhỏ

− Hình dáng của dòng khí, ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ hoàn thiện của quá trình thay đổi công chất

− Điều kiện công nghệ chế tạo xupap

Mặt làm việc quan trọng của phần nấm xupap là mặt côn có góc α từ

300 ÷ 450 Góc α càng nhỏ tiết diện lưu thông càng lớn Tuy nhiên khi α nhỏ, mặt nấm càng mỏng, độ cứng vững của mặt nấm càng kém Do đó, dễ bị cong vênh, tiếp xúc không kín khít với đế xupap Đối với dòng khí lưu động vào xilanh, khi α nhỏ quá (α = 0), dòng khí lưu động cũng bị gấp khúc.

Ngược lại, khi góc α lớn, mặt nấm xupap dầy và bền hơn, dòng khí thải

đi ra cũng lớn hơn Do đó, tuyệt đại đa số xupap của các động cơ đều dùng góc

α = 450 để vừa đảm bảo độ bền của nấm, vừa đảm bảo tiết diện lưu thông khi

mở xupap và vừa để dòng khí lưu động dễ dàng

38

− Chọn dạng nấm đầu bằng: Vì chế tạo đơn giản, hiệu quả sử dụng khá cao, lại được áp dụng rộng rãi.

− Đường kính họng của nấm xupap :

− Đường kính thân xupap

dt = (0,25 ÷ 0,4)dh

− Chiều dài của thân xupap

lt = (2,5 ÷ 3,5)dh

Các thông số của xupap :

− Chiều rộng mặt nấm tiếp xúc với đế xupap : e = 4 mm

t t

Hình 3.4 Tiết diện mặt cắt lưu thông của họng xupap

Sau khi tính toán xong, chúng ta phải dùng lưu tốc trung bình của dòng khí để kiểm nghiệm lại

Ta có:

i f

F C

k

n m

m =ω

trong đó:

− ωm: Lưu tốc trung bình của dòng khí, ωm = 40 ÷ 100 (m/s);

− Cm: Tốc độ trung bình của piston, theo chương 1,

− Fn: Tiết diện piston, theo chương 1, Fn = 0,06157 (m/s);

− fn: Tiết diện mặt cắt thông đạo,

d: Đường kính mặt ngoài nấm xupap, d = 0,092 (m);

d) Kiểm nghiệm sức bền của xupap

Để tính sức bền của mặt nấm xupap, sử dụng công thức Băcks: Coi mặt nấm xupap như một đĩa tròn đặt tự do trên đế tựa hình trụ Ứng suất uốn mặt nấm xupap được xác định theo công thức:

δ _ Chiều dày trung bình của mặt nấm, δ = (0,05 ÷ 0,1) (cm).

Ứng suất uốn giới hạn của vật liệu làm xupap

Đối với thép cacbon: [ ]σu =800(kG/cm2) =80 MPa;Đối với thép hợp kim: [ ]σu =1200(kG/cm2) =120 Mpa;

3.3.1.Điều kiện làm việc

Trong quá trình làm việc, mặt đế xupap chịu phụ tải động và phụ tải nhiệt rất lớn Lực khí thể tác dụng trên diện tích mặt côn của đế xupap là rất lớn, có thể lên đến 0,1 ÷ 0,2 (Mpa), trong động cơ cường hoá và tăng áp, lực này có thể lên đến 0,3(Mpa) Hơn nữa, mặt côn của đế xupap luôn luôn va đạp mạnh với mặt nấm xupap nên rất dễ bị biến dạng Do đế của xupap tiếp xúc trực tiếp với khí cháy nên đế xupap còn phải chịu nhiệt độ rất cao Thêm nữa, tốc độ của dòng khí thải là rất lớn (khi mới bắt đầu thải, tốc độ của dòng khí

42

thải có thể đạt đến 400 ÷ 600 (m/s) nên khiến cho đế xupap, nhất là phần mặt

côn của đế xupap thường dễ bị quá nóng và bị dòng khí ăn mòn

Ngoài ra, do trong nhiên liệu có lưu huỳnh nên khi cháy tạo thành axit

ăn mòn đế xupap

3.3.2 Vật liệu chế tao

Đế xupap thường được làm bằng thép hợp kim hoặc gang hợp kim Đế xupap bằng thép hợp kim thường ép vào thân máy hoặc nắp xilanh với độ dôi vào khoảng 0,0015 ÷ 0,0035 đường kính ngoài của đế

3.3.3 Kết cấu đế xupáp

Trong cơ cấu phân phối khí xupap treo, đường thải và đường nạp được

bố trí trong nắp xilanh Để giảm hao mòn cho thân mýa và nắp xilanh khi chịu lực va đập của xupap, người ta dùng đế xupap ép vào họng đường thải và đường nạp Kết cấu đế xupap rất đơn giản, thường chỉ là một vòng hình trụ, trên có vát mặt côn để tiếp xúc với mặt côn của nấm xupap

− Góc nghiêng của mặt côn, α = 450

− Chiều dày của đế, S = (0,08 ÷ 0,15)d0

Kết quả:

− Đường kính của họng đế; d0 = 84 mm;

− Góc nghiêng của mặt côn, α = 450

− Chiều cao của mặt côn, hc = 5,4 mm;

3.4 Thiết kế ống dẫn hướng xupap

3.4.1 Nhiệm vụ và điều kiện làm việc

Để dễ sửa chữa và tránh hao mòn cho thân máy hoặc nắp xilanh ở chỗ lắp xupap, ngường ta lắp ống dẫn hướng xupap trên các chi tiết máy này Ống dẫn hướng có nhiệm vụ bảo đảm cho xupap chuyển động dọc theo đường trục của nó, hạn chế hiện tượng đảo, lắc, mài mòn xupap và làm kín khít bề mặt tiếp xúc Ống dẫn hướng xupap được lắp vào ống theo chế độ lắp lỏng

3.4.2 Vật liệu chế tạo

Ống dẫn hướng xupap thường được chế tạo bằng các loại hợp kim CII21-40, CII24-48 có tổ chức peclit Trong một vài loại động cơ của nhà máy ôtô Gorơki, ống dẫn hướng được chế tạo bằng gang dẻo được nhiệt luyện Trong các động cơ hiện đại, ống dẫn hướng được ép bằng bột kim loại, sau đó

xử lí ngâm tẩm dầu bôi trơn Loại vật liệu kim loại gốm này chịu mòn rất tốt

và không cần bôi trơn Tuy vậy, giá thành chế tạo khá cao nên chỉ sử dụng cho động cơ cao tốc Trong một số động cơ cao tốc, còn sử dụng ống dẫn hướng bằng hợp kim đồng thanh – nhôm Loại ống dẫn hướng này dẫn nhiệt tốt, khi thiếu dầu bôi trơn thì cũng không xảy ra hiện tượng bó kẹt xupap Do đặc điểm này nên đa số các động cơ tăng áp đều dùng ống dẫn hướng bằng đồng

Vì trong các loại động cơ này, rất khó tổ chức bôi trơn cho thân xupap vì nhiệt

độ ở xupap thải là rất cao, dầu bôi trơn dễ bị cháy Còn ở xupap nạp, khí nạp

có áp suất lớn thổi qua làm khô hết dầu nhờn bám trên xupap

3.4.3 Bôi trơn ống dẫn hướng xupap

Bôi trơn ống dẫn hướng và thân xupap có thể dùng phương pháp bôi trơn cưỡng bức bằng dầu nhờn do bơm dầu cung cấp dưới một áp suất nhất định Bôi trơn bằng cách nhỏ dầu vào ống dẫn hướng hoặc tiện rãnh hứng dầu

để bôi trơn bằng dầu vung té, cần phải đảm bảo lượng dầu bôi trơn nhất định.Biện pháp bôi trơn cưỡng bức này thường dùng nhiều nhất

44

3.4.4 Kết cấu ống dẫn hướng xupap

Ống dẫn hướng xupap thường có dạng hình trụ, với các thông số cơ bản sau:

− Chiều dày ống dẫn hướng

− Đường kính trong của ống dẫn

l odh

D

d S

d odh

d D

Hình 3.6 Các loại ống dẫn hướng xupap

3.5 Thiết kế lò xo xupap

3.5.1 Nhiệm vụ và điều kiện làm việc

Lò xo xupap dùng để đóng kín xupap trên đế xupap và đảm bảo xupap chuyển động theo đúng quy luật của cam phối khí Do đó, trong quá trình mở đóng xupap không có hiện tượng va đập trên mặt cam

Lò xo xupap làm việc trong điều kiện tải trọng thay đổi đột ngột

3.5.2 Vật liệu chế tạo

Vật liệu thường dùng để chế tạo lò xo xupap là dây thép có đường kính

0,4 ÷ 12 (mm), phải lấy theo tiêu chuẩn, loại thép C65, C65A, 65T hoặc

50XΦA

3.5.3 Kết cấu lò xo xupap

Loại lò xo thường được dùng nhiều nhất là lò xo xoắn ốc, hình trụ, hai vòng, ở hai đầu lò xo quấn sít nhau và mài phẳng để lắp ghép Số vòng công tác của lò xo thường từ 4 ÷ 10 vòng Số vòng công tác càng ít, mỗi vòng của lò xo biến dạng càng nhiều Vì vậy, lò xo chịu ứng suất xoắn càng lớn Ngược lại, số vòng công tác nhiều quá, lò xo quá dài, độ cứng của lò xo giảm, tần số dao động tự do thấp, dễ bị cộng hưởng, sinh ra va đập với mặt cam

Bước xoắn của lò xo có thể quấn giống nhau trên toàn bộ chiều dài của

lò xo Nhưng để tránh hiện tượng cộng hưởng nguy hiểm thường làm cho lò xo

bị gẫy và gây va đập mạnh trong cơ cấu phối khí, các động cơ ngày nay thường dùng loại lò xo hình trụ có bước xoắn thay đổi, hoặc lò xo hình côn Các bước xoắn ở giữa thường lớn hơn bước xoắn ở hai đầu hoặc bước xoắn nhỏ dần về phía mặt tựa cố định (mặt lắp với xilanh hoặc thân máy) của lò xo

46

Hai vòng đầu có khi còn mài vát đi một góc 900 để khi lắp khỏi vướng góc lượn của đĩa lò xo

Các vòng lò xo đầu và cuối cùng có tác dụng làm vòng tựa mà không tham gia vào hoạt động của lò xo Do vậy, người ta thường phân biệt số vòng lò

− Chiều dầy của dây quấn lò xo

Lấy theo tiêu chuẩn, δ = 10 mm;

G_ Môđun đàn hồi của vật liệu làm lò xo, G = 8.103 kG/mm2;

− Hệ số điều chỉnh tính đến sự tăng ứng suất do phân bố không đều vì

− Lực nhỏ nhất của lò xo (theo đường dọc tâm lò xo) ta lấy xấp xỉ bằng lực căng của lò xo ở trạng thái xupap đóng kín hoàn toàn

41

2 min

lx

d P

P : Áp suất hút nhỏ nhất,P amin= (0,4 ÷ 0,5),P amin= 0,04 (MPa);

− Lực lớn nhất của lò xo (quy về đường dọc trục) ta lấy xấp xỉ bằng lực căng của lò xo ở trạng thái xupap mở hoàn toàn

xp lx

i

i i H

− Chiều dầy của dây quấn lò xo

Lấy theo tiêu chuẩn, δ = 10 mm;

− Độ cứng của lò xo xupap

48

− Hệ số điều chỉnh tính đến sự tăng ứng suất do phân bố không đều vì

3.5.4 Kiểm nghiệm bền cho lò xo xupap

− Để kiểm nghiệm bền cho lò xo, ta tính ứng suất lớn nhất của lò xo, sau đó so sánh với ứng suất cho phép

Ứng suất lớn nhất trong lò xo xupap:

3

max max

Vậy τmax  [ ]τ =350÷600MPa ⇒ Thoả mãn

− Tính hệ số an toàn bền của lò xo, sau đó so sánh với hệ số an toàn bền cho phép

Ứng suất nhỏ nhất trong lò xo xupap:

3

min min

50

hd k

n

τψτ

τ

τ τ

n < [n] ⇒ Thoả mãnKết luận: Lò xo thoả mãn điều kiện bền

3.5.5 Kiểm nghiệm ứng suất mỏi

Để kiểm nghiệm ứng suất mỏi cho lò xo xupap, ta dùng phương pháp của L.B.Gendler Phương pháp này đánh giá trạng thái ứng suất của lò xo theo biên độ ứng suất:

a

ττ

τ

Đối với lò xo:

max

max max

max max

h

ττ

τ

ττ

xp h

f

h xp y

1 12

εψ

τψ

ττεψ

f

h xp y

− hxp: Hành trình lớn nhất của xupap

52

τ = < ⇒Lò xo xupap thoả mãn điều kiện mỏi.

3.5.6 Kiểm nghiệm dao động cộng hưởng

Để tính toán lò xo xupap về dao động cộng hưởng , ta có thể dùng phương pháp của L.B.Gendler Trong thời gian động cơ làm việc, các vòng lò

xo bị dao động Trong lòng chúng sẽ xuất hiện những ứng suất phụ Trong trường hợp có cộng hưởng, những ứng suất này có thể dẫn đến việc phá huỷ lò xo

Có thể xem như là dao động của các vòng lò xo không nguy hiểm nếu tỉ

số giữa dao động tự do của dạng dao động một nút trong một phút nc và số vòng quay của trục phân phối npp trong một phút thỏa mãn bất đẳng thức:

= >10

pp

c n

Khi ấy:

108400

max max >

=

=

pp pp

c

n f n