Đề cương bài giảng kỹ thuật động cơ ô tô

Pít tông đi từ ĐCD lên ĐCT, các xuppap đóng kín, không khí trong xy lanh bị nén lại tới nhiệt độ và áp suất cao, nhiệt độ buồng cháy động cơ điêzen diesel lúc này khoảng 500- 8000C.. Hàn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÀI GIẢNG HỌC PHẦN: KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ

SỐ TÍN CHỈ: 03

LOẠI HÌNH ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

Hưng Yên - 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

Ở động cơ đốt ngoài, ví dụ máy hơi nước cổ điển trên tàu hỏa, hai giai đoạn trên xảy

ra ở hai nơi khác nhau Giai đoạn thứ nhất xảy ra tại buồng đốt và nồi xúp-de, kết quả được hơi nước có áp suất và nhiệt độ cao Còn giai đoạn thứ hai là quá trình giãn nở của hơi nước trong buồng công tác và sinh công làm quay bánh xe

Ở động cơ đốt trong, hai giai đoạn trên diễn ra tại cùng một vị trí, đó là bên trong buồng công tác của động cơ

Hai loại động cơ nói trên đều có hai kiểu kết cấu, đó là động cơ kiểu pít tông và

kiểu tuabin theo sơ đồ dưới đây, hình 1-1

Hình 1-1 Động cơ đốt trong thuộc họ động cơ nhiệt

Do giới hạn của giáo trình, chúng ta chỉ xét động cơ đốt trong kiểu pít tông và từ đây gọi vắn tắt là động cơ đốt trong (ĐCĐT) Trong thực tế, động cơ kiểu tuabin là đối tượng khảo sát của chuyên ngành máy tuabin

Ƣu điểm Nhƣợc điểm

- Hiệu suất cú ớch e

lớn nhất, cú thể đạt tới 50%

hoặc hơn nữa Trong khi đú,

mỏy hơi nước cổ điển kiểu

- Tại chế độ tốc độ vũng quay nhỏ, mụ men sinh

ra khụng lớn Do đú, động cơ khụng thể khởi động được khi cú tải và phải cú hệ thống khởi động riờng

- Cụng suất cực đại khụng lớn Vớ dụ, một trong những động cơ lớn nhất thế giới là động cơ của hóng MAN B&W cú cụng suất 68.520 kW (số liệu 1997), trong khi tuabin hơi bỡnh thường cũng cú cụng suất tới vài chục vạn kW

- Cấu tạo phức tạp, giỏ thành chế tạo cao

- Nhiờn liệu cần cú những yờu cầu khắt khe như hàm lượng tạp chất thấp, tớnh chống kớch nổ cao, tớnh

tự chỏy cao nờn giỏ thành cao Mặt khỏc, nguồn nhiờn liệu chớnh là dầu mỏ ngày một cạn dần Theo dự đoỏn, trữ lượng dầu mỏ chỉ đủ dựng cho đến giữa thế

kỷ 21

- ễ nhiễm mụi trường do khớ thải và ồn

1.3 Phõn loại động cơ đốt trong

Động cơ đốt trong có thể đ-ợc phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau:

Động cơ bốn kỳ: Là động cơ cú chu trỡnh cụng tỏc thực hiện sau bốn

hành trỡnh của pớt tụng hay hai vũng quay của trục khuỷu

Động cơ hai kỳ: Là động cú chu trỡnh cụng tỏc thực hiện sau hai hành

trỡnh của pớt tụng hay một vũng quay của trục khuỷu

Động cơ nhiờn liệu lỏng: như xăng, điờzen (diesel), cồn pha xăng

Theo nhiên liệu Động cơ nhiên liệu khí: Nhiên liệu khí bao gồm: khí thiên nhiên

(Compressed Natural Gas - CNG), khí hoá lỏng (Liquidfied Petroleum Gas - LPG), khí lò ga, khí sinh vật (Biogas)

Động cơ nhiên liệu kép (Dual Fuel) ví dụ như động cơ gas+ xăng, ga

+ điêzen (diesel)…

Động cơ đa nhiên liệu (Multi Fuel) như động cơ có thể dùng được cả

điêzen (diesel) và xăng, hoặc động cơ dùng cả xăng và khí đốt

Theo phương

pháp hình thành

khí hỗn hợp

Hình thành hỗn hợp bên ngoài xy lanh như động cơ xăng dùng bộ

chế hòa khí hoặc hệ thống phun xăng gián tiếp (phun vào đường nạp)

Hình thành hỗn hợp bên trong xy lanh như động cơ điêzen (diesel)

hay động cơ phun xăng trực tiếp (Gasoline Direct Injection - GDI)

vào xy lanh

Theo phương

pháp đốt cháy

hỗn hợp

Động cơ đốt cháy cưỡng bức như động cơ xăng

Động cơ cháy do nén như động cơ điêzen (diesel)

Theo phương

pháp nạp

Động cơ không tăng áp: không khí hay hỗn hợp được hút vào xy lanh

bởi sự chênh áp giữa đường nạp và xy lanh

Động cơ tăng áp: không khí hay hỗn hợp được nén trước khi nạp vào

xy lanh

Theo tốc độ trung bình của pít tông

Gọi tốc độ trung bình của pít tông là cm Dễ dàng tính được

30

n.S

cm  (m/s) với S là hành trình pít tông (m) và n là tốc độ vòng quay của trục khuỷu (v/ph) Theo cm người ta

phân loại động cơ như sau:

Động cơ pít tông tịnh tiến thường gọi ngắn gọn là động cơ pít

tông Đa số động cơ đốt trong là động cơ pít tông

năm 1954 nên còn gọi là động cơ Wankel

Theo cách bố trí xy lanh Thứ tự bố trí xy lanh

1.4.1 Sơ đồ nguyên lý và cấu trúc cơ bản

Cấu tạo của động cơ đốt trong bao gồm:

a Cơ cấu sinh lực gồm:

1 Bộ hơi: Xy lanh, cụm pít tông, nắp máy…

2 Bộ phận chuyển động và dự trữ năng lượng: Trục khuỷu, thanh truyền, bánh đà

b Các hệ thống và cơ cấu khác:

1 Cơ cấu phối khí: Cụm xuppap hút và xả, trục cam, cơ cấu dẫn động trục cam

2 Hệ thống bôi trơn: Cácte dầu, bơm dầu, lọc dầu, các tuyến dầu, két làm mát dầu…

3 Hệ thống làm mát: Két nước, bơm nước, áo nước, van hằng nhiệt, đường ống nước…

4 Hệ thống cung cấp nhiên liệu: Hệ thống nhiên liệu dùng chế hòa khí hoặc phun xăng,

hệ thống nhiên liệu đông cơ điêzen (diesel)

5 Hệ thống điện động cơ: Hệ thống khởi động, hệ thống cung cấp điện…

4 5

1 Trục khuỷu 2 Thanh truyền,

3 Piston 4 Xuppáp thải(xả)

5 Vòi phun (động cơ diesel) hay bugi (động cơ xăng),

6 Xuppáp nạp ĐCT Điểm chết trên ĐCD Điểm chết dưới

S Hành trình piston

D Đường kính xy lanh

Dựa vào lược đồ hình 1-7 Ta có thể đưa ra một số khái niệm cơ bản sau:

Quá trình công tác là tổng hợp tất cả biến đổi của môi chất công tác xảy ra trong xy

lanh của động cơ và trong các hệ thống gắn liền với xy lanh như hệ thống nạp - thải

Chu trình công tác là tập hợp những biến đổi của môi chất công tác xảy ra bên

trong xy lanh của động cơ và diễn ra trong một chu kì

Kỳ là một phần của chu trình công tác xảy ra khi pít tông dịch chuyển một hành trình

Điểm chết: Trong hoạt động của cơ cấu sinh lực có hai khái niệm điểm chết: điểm

chết của pít tông và điểm chết của trục khuỷu

Điểm chết của pít tông là điểm mà tại đó pít tông có vận tốc bằng 0, hoặc diễn giải theo một cách khác: là điểm pít tông ở vị trí cao nhất hoặc thấp nhất trong lòng xy lanh Như vậy pít tông có 2 điểm chết (hình 1.8) là điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dưới (ĐCD) Điểm chết trên của pít tông là điểm mà pít tông cách xa đường tâm trục khuỷu nhất Điểm chết dưới của pít tông là điểm mà pít tông cách tâm trục khuỷu một khoảng ngắn nhất

Điểm chêt của trục khuỷu cũng có hai vị trí là điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dưới (ĐCD), là các điểm mà tại đó đường tâm của má khuỷu trùng với đường tâm của thanh truyền

Hành trình pít tông (S): Là khoảng cách giữa hai điểm chết (m)

Thể tích công tác V h là khoảng không gian trong lòng xilanh được tính từ mặt đỉnh pít tông ở ĐCD tới mặt đỉnh pít tông ở ĐCT

Thể tích buồng cháy V c là khoảng không gian trong lòng xilanh được tính từ mặt đỉnh pít tông ở ĐCT tới bề mặt của vòm nắp máy bao kín phía trên xy lanh

Thể tích toàn phần V a là khoảng không gian trong lòng xilanh được tính từ mặt đỉnh pít tông ở ĐCD tới bề mặt của vòm nắp máy bao kín phía trên xy lanh

Hình 1-8: Các vị trí điểm

chết của ĐCĐT

(thể tích buồng cháy Vc ):

c h c

c h min

max

V

V1V

VVV



 (1.1)

1.4.3 Nguyên lí làm việc của động cơ xăng 1 xy lanh

Động cơ bốn kỳ có chu trình công tác được thực hiện sau bốn hành trình của pít

tông hay hai vòng quay của trục khuỷu

Hành trình thứ nhất: hành trình nạp( HÚT), hình 1-10

Pít tông đi từ ĐCT xuống ĐCD tạo nên độ chân không trong xy lanh Hoà khí từ

đường nạp gọi là khí nạp mới được hút vào xy lanh qua xuppáp nạp đang mở và hoà trộn với khí sót của chu trình trước tạo thành hỗn hợp công tác Xuppáp nạp mở sớm một góc

là 1 tại điểm d1 trước khi pít tông đến ĐCD để tăng tiết diện lưu thông của dòng khí nạp

Hình 1-9: Đồ thị mô tả các quá trình làm việc của động cơ bốn kỳ không tăng áp

Pít tông đi từ ĐCD lên ĐCT Xuppáp nạp đóng muộn một góc 2 tại điểm d2 trước ĐCT nhằm tận dụng quán tính của dòng khí nạp để nạp thêm Hỗn hợp công tác bị nén khi hai xuppáp cùng đóng dẫn tới tăng áp suất và nhiệt độ trong xy lanh Tại điểm c’ gần ĐCT tương ứng với góc s, bugi bật tia lửa điện Góc s được gọi là góc đánh lửa sớm Sau một thời gian chuẩn bị rất ngắn, quá trình cháy thực sự diễn ra làm cho áp suất và nhiệt độ trong xy lanh tăng lên rất nhanh

Hành trình thứ ba: hành trình cháy- giãn nở (NỔ ), hình 1-12

Pít tông đi từ ĐCT xuống ĐCD Sau ĐCT, quá trình cháy tiếp tục diễn ra nên áp suất và nhiệt độ tiếp tục tăng, sau đó giảm do thể tích xy lanh tăng nhanh Khí cháy giãn

nở sinh công Gần cuối hành trình, xuppáp thải mở sớm một góc 3 tại điểm b’ để thải tự

do một lượng đáng kể sản vật cháy ra khỏi xy lanh vào đường thải

Hành trình thứ tƣ: hành trình thải (XẢ), hình 1-13

Pít tông đi từ ĐCD lên ĐCT, sản vật cháy bị thải cưỡng bức do pít tông đẩy ra khỏi

xy lanh Để tận dụng quán tính của dòng khí nhằm thải sạch thêm, xuppáp thải đóng muộn sau ĐCT một góc 4 ở hành trình nạp của chu trình tiếp theo.

1.4.4 Nguyên lí làm việc của động cơ điêzen (diesel) 1 xy lanh

Nguyên lý làm việc của động cơ điêzen (diesel) 4 kỳ cũng tương tự như động cơ xăng , gồm các kỳ HÚT-NÉN-NỔ-XẢ, nhưng có một số nét khác biệt:

Hành trình nạp( HÚT) , hình 1-14

Pít tông đi từ ĐCT xuống ĐCD, xuppap nạp mở, xuppap thải đóng Không khí

được hút vào trong xy lanh qua xuppap nạp Xuppap nạp mở sớm một góc 1 trước ĐCT

để tăng lượng không khí nạp vào xy lanh

Pít tông đi từ ĐCD lên ĐCT, các xuppap đóng kín, không khí trong xy lanh bị nén lại tới nhiệt độ và áp suất cao, nhiệt độ buồng cháy động cơ điêzen (diesel) lúc này khoảng 500- 8000

C Cuối hành trình nén, vòi phun phun nhiên liệu vào trong buồng cháy của động

Hành trình cháy- giãn nở ( NỔ), hình 1-16

Nhiên liệu (dầu điêzen (diesel)) áp suất cao(115kg/cm2- 1900kg/cm2) phun vào không khí được nén đến áp suất và nhiệt độ cao trong buồng cháy nên tự bốc cháy Quá trình cháy sinh công đẩy pít tông đi xuống ĐCD Cuối hành trình cháy, xuppap thải mở sớm một góc 2 trước ĐCD nhằm tận dụng quán tính của dòng khí để thải một phần khí cháy ra ngoài

Hành trình thải( XẢ),hình 1-17

Pít tông đi từ ĐCD đến ĐCT, xuppap thải mở, khí cháy được đẩy ra ngoài qua xuppap thải Xuppap thải đóng sau ĐCT một góc 3 nhằm mục đích thải hết sản vật cháy

ra ngoài

*) Nguyên lí làm việc của động cơ 2 kì , hình 1-18 và 1-19

Động cơ hai kỳ, như đã nêu trong phần phân loại, có chu trình công tác thực hiện

sau hai hành trình của pít tông hay một vòng quay của trục khuỷu

Hành trình thứ nhất:

Pít tông đi chuyển từ ĐCT đến ĐCD, khí đã cháy và đang cháy trong xy lanh giãn nở sinh công Khi pít tông

mở cửa thải A, khí cháy có áp suất cao được thải tự do ra đường thải Từ khi pít tông mở cửa quét B cho đến khi đến điểm chết dưới, khí nạp mới có áp suất cao nạp vào xy lanh đồng thời quét khí đã cháy ra cửa A

Như vậy trong hành trình thứ nhất gồm các quá trình: cháy giãn nở, thải tự do, quét khí và nạp khí mới

Hành trình thứ hai:

Pít tông di chuyển từ ĐCD đến ĐCT, quá trình quét nạp vẫn tiếp tục cho đến khi pít tông đóng cửa quét B

Hình 1-18: Hoạt động của động cơ

2 kì

10

thải A, môi chất trong xy lanh bị đẩy qua cửa thải ra ngoài, vì vậy giai đoạn này gọi là giai đoạn lọt khí Tiếp theo

là quá trình nén bắt đầu từ khi pít tông đóng cửa thải A cho tới khi nhiên liệu phun vào xy lanh (động cơ điêzen (diesel)) hoặc bugi (động cơ xăng) bật tia lửa điện Sau một thời gian cháy trễ rất ngắn quá trình cháy sẽ xảy ra

Như vậy trong hành trình thứ hai gồm có các quá trình: quét và nạp khí,

lọt khí, nén và cháy

1.4.5 Nguyên lý làm việc của động cơ nhiều xy lanh, hình 1-20

Trong thực tế, động cơ một xy lanh chỉ được sử dụng trên xe máy và một số loại máy nông nghiệp và chế biến sản phẩm nông nghiệp Nhằm mục đích nâng cao công suất động cơ người ta ghép các động cơ một xy lanh (động cơ đơn) lại với nhau tạo thành động cơ nhiều xy lanh Động cơ có từ 3 xy lanh trở lên được gọi là động cơ nhiều xy lanh Trong động cơ nhiều xy lanh, kích thước các chi tiết của các xy lanh như nhau nên quá trình làm việc của các xy lanh cũng giống nhau, chỉ khác nhau về pha Điều này phụ thuộc vào việc bố trí vị trí tương quan giữa các xy lanh

Việc bố trí này tuân theo những quy tắc sau:

- Đảm bảo mômen của động cơ trong một chu trình là đồng đều nhất Theo nguyên tắc này, ở động cơ đốt trong một hàng xy lanh, người ta bố trí sao cho góc công tác giữa

2 xy lanh làm việc liên tiếp là như nhau

- Không để tải trọng tập trung quá nhiều vào một hoặc một số cổ trục khuỷu nào

đó để trục có sức bền đồng đều

- Trục khuỷu phải có hình dạng động lực hợp lý

Hình 1-19: Các biểu đồ đặc trưng cho

các trang thái làm việc của động cơ 2 kì

a Đồ thị pha ; b Đồ thị công

Với dạng trục khuỷu như hình 1-21.1 có thể bố trí góc công tác giữa hai xy lanh

1804

Ta có bảng trình tự làm việc như sau:

a Trình tự làm việc 1-3-4-2

Vòng quay

trục khuỷu

Góc quay trục khuỷu

Một phương pháp rất hiệu quả để tăng công suất động cơ là tăng lượng môi chất

nạp bằng cách nén môi chất trước khi nạp vào xy lanh Phương pháp này gọi là tăng áp cho động cơ Khi nén, áp suất, nhiệt độ của môi chất tăng Một số động cơ được trang bị

bộ phận làm mát khí nén trước khi nạp vào động cơ để nạp được nhiều hơn Sau đây là một số phương pháp tăng áp chủ yếu

1.4.6.1 Tăng áp cơ khí

Hình 1-22: Tăng áp cơ khí

1 Động cơ 2 Đường thải

3 Máy nén 4 Bình làm mát trung gian

5 Đường nạp 6 Môi chất trước máy nén

7 Bộ truyền cơ khí

Với kiểu tăng áp này, máy nén 3 được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ Phương pháp này có ưu điểm là khi số vòng quay của động cơ thay đổi đột ngột, máy nén vẫn cung cấp cho động cơ lượng môi chất cần thiết Tuy nhiên, chính vì được dẫn động từ động cơ nên lượng khí nén phụ thuộc vào tốc độ động cơ và có nhược điểm là máy nén không cung cấp

đủ lượng khí nén phù hợp cho động cơ khi tải trọng thay đổi

Theo phương pháp này, khí thải của động cơ dẫn vào tuabin 7, sinh công làm quay máy nén 3 Tốc độ vòng quay của tuabin máy nén có thể tới 100.000 vòng/phút Phương pháp này tận dụng được năng lượng của khí thải, nhưng khi tốc độ vòng quay của động cơ thay đổi đột ngột, do quán tính của tuabin máy nén nên máy nén không cung cấp được lượng không khí cần thiết Mặt khác, ở chế độ tốc độ vòng quay nhỏ và tải nhỏ, công của tuabin không đủ cho máy nén làm việc bình thường

1.4.6.3 Tăng áp hỗn hợp

Hình 1-24: Tăng áp hỗn hơp

1 Động cơ 2 Đường thải

3 Máy nén 4.tua bin

Hình 1-23: Tăng áp kiểu tuabin- máy

Trục cơ quay theo chiều kim đồng hồ làm bánh răng quay, bánh răng quay dẫn động pít tông (rôto) quay làm thay đổi thể tích các khoang AC,

BC, AB

Trên hình 1-25, pít tông quay theo chiều kim

đồng hồ, không gian AC có thể tích tăng dần và thông với cửa nạp nên tại đây quá trình nạp diễn

ra Khí nạp được hút vào xy lanh qua cửa nạp 7 Khi điểm A đi qua cửa nạp thì quá trình nạp kết thúc Pít tông tiếp tục quay, không gian AC giảm thể tích và thực hiện quá trình nén Khi môi chất

bị nén tới áp suất cao (khoang BC) bugi bật tia lửa điện đốt cháy nhiên liệu (động cơ xăng) hoặc vòi phun phun nhiên liệu (động cơ điêzen (diesel)) Sau một thời gian cháy trễ, quá trình cháy thực sự diễn ra Áp suất trong khoang tăng lên tác dụng lên bề mặt pít tông (mặt BC) làm pít tông quay, qua vành răng và bánh răng làm quay trục cơ

Khi khoang BC diễn ra quá trình cháy- giãn nở thì khoang AC diễn ra quá trình nạp và khoang

AB diễn ra quá trình thải Quá trình thải bắt đầu khi đỉnh A mở cửa thải 9

Nhận xét:

Khi rô to thực hiện 1 chu trình tương ứng với 3 vòng quay của trục cơ, cả 3 không gian đều thực hiện 1 chu trình làm việc gồm 4 quá trình: Hút- nén- cháy, giãn nở- thải tương đương với động cơ pít tông thường 4 kì, 3 xy lanh

Ưu điểm của động cơ Walken so với động cơ pít tông thông thường:

-Rôto quay nên cân bằng dễ dàng Vì thế, tốc độ động cơ cao hơn động cơ pít tông thường

- Vì không dùng xuppáp nên chất lượng nạp- thải tốt hơn do tiết diện lưu thông lớn

- Gọn và công suất cao

Nhược điểm chủ yếu của động cơ Walken so với động cơ pít tông thường là các chi tiết bao kín dạng thanh ở các đỉnh của rôto và bề mặt xy lanh mòn rất nhanh do vận tốc lớn và khó bôi trơn Vì vậy tuổi thọ động cơ thấp

Hình 1-25: Sơ đồ cấu trúc động cơ

Valken

1 Rô to (piston quay) 2 Trục cơ

3 Vành răng rô to 4 Bánh răng trục

cơ

5 Xilanh 6 Buồng nạp

7 Cửa nạp 8 Bugi

9 Cửa thải

CHƯƠNG 2: CHU TRÌNH THỰC TẾ CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

2.1 Quá trình nạp

2.1.1 Diễn biến quá trình nạp

- Quá trình nạp được tiến hành chủ yếu do pít

tông chuyển động từ điểm chết trên đến điểm chết

dưới tạo ra sự chênh lệch áp suất, do đó môi chất được

hút vào xy lanh

-Trong thực tế, quá trình nạp bắt đầu tại điểm

d1, tương ứng với vị trí góc 1 trước ĐCT, xuppap

nạp mở Góc 1 gọi là góc mở sớm của xuppap nạp

Từ thời điểm áp suất trong xy lanh bằng áp suất

trên đường ống nạp pk trở đi, khí nạp mới thực sự đi

vào trong xy lanh, cho đến khi pít tông tới ĐCD tại

điểm a

Tận dụng quán tính của dòng khí nạp để nạp

thêm, xupáp nạp chưa đóng tại ĐCD mà đóng sau đó

1 góc 2 tại điểm d2 Góc 2 gọi là góc đóng muộn

của xupáp nạp

Áp suất trong xy lanh phụ thuộc vào tốc độ v

của pít tông, có giá trị nhỏ nhất tại vmax Tại điểm

ĐCD, ta có thể viết:

Đối với động cơ không tăng áp, có thể coi gần

đúng pk p0 và Tk T0

Từ phân tích diễn biến quá trình nạp trong các động

cơ khác nhau ta có thể rút ra một vài nhận xét sau:

- Khí nạp mới đi vào trong xy lanh phải khắc

phục sức cản lưu động nên có tổn thất áp suất pk

- Trong tất cả các loại động cơ nêu trên không thể quét hết sản vật cháy ra khỏi xy lanh Nói cách khác, trong xy lanh vẫn còn một lượng khí sót hoà trộn với khí nạp mới

- Khí nạp mới đi vào xy lanh tiếp xúc với các chi tiết trong buồng cháy và hoà trộn với khí sót có nhiệt độ cao nên được sấy nóng

-Tất cả những điều đó làm cho lượng khí nạp mới trong xy lanh khi kết thúc quá trình nạp thông thường khác so với lượng khí nạp mới lý thuyết có thể chứa trong thể tích xy lanh Vh qui về điều kiện ở đường nạp với nhiệt độ Tk và áp suất pk Vì vậy, để đánh giá chất lượng quá trình nạp, người ta đưa ra thông số hệ số nạp v được định nghĩa như sau:

h h h v

V

V M

M G

ĐCD ĐCT

d 2 r

'

d 1

V c r

Hình 2-1 Diễn biến quá trình

nạp

G1 (kg/kgnl) và M1(kmol/kgnl) là lượng khí nạp mới thực tế trong xy lanh khi kết thúc quá trình nạp và V1 là thể tích của lượng khí nạp mới đó qui về điều kiện nhiệt độ Tk và áp suất pk

Gh (kg/kgnl) và Mh(kmol/kgnl) là lượng khí nạp mới lý thuyết chứa trong thể tích Vh trong điều kiện nhiệt độ Tk và áp suất pk

Với: Gh  kVh

Hệ số nạp là một thông số đặc trưng cho chất lượng quá trình nạp, thông thường nhỏ hơn 1

và sẽ được khảo sát kĩ lưỡng ở các phần sau

2.1.2 Các thông số cơ bản của quá trình nạp, các nhân tố ảnh hưởng

* Các thông số cơ bản

a Áp suất cuối quá trình nạp p a

Nếu pa càng lớn thì lượng khí nạp mới càng nhiều và ngược lại

2 n

2 n k k k

a

f

n k p p p

Chú ý rằng trong động cơ xăng, hệ số cản cục bộ trên đường nạp còn phụ thuộc rất nhiều vào

độ mở của bướm ga tức là phụ thuộc tải trọng Cụ thể, khi tăng tải, bướm gam mở to hơn thì sức cản giảm

b Hệ số khí sót r

Hệ số khí sót r được định nghĩa bởi công thức:

1

r r

a

r q t nt a r r

k q r

pp

1

p

p.T

TT

c Nhiêt độ sấy nóng khí nạp mới

Khí nạp mới từ đường nạp có nhiệt độ Tk đi vào xy lanh sẽ được sấy nóng bởi các chi tiết có nhiệt độ cao trong buồng cháy, đồng thời nhiên liệu trong hỗn hợp đối với động cơ xăng sẽ bay hơi Nhiệt độ khí nạp mới khi đó sẽ thay đổi một lượng là T:

T = Tt - Tbh

Trong đó Tt là độ tăng nhiệt độ của khí nạp mới do truyền nhiệt còn Tbh là độ giảm nhiệt

độ do nhiên liệu trong khí nạp mới bay hơi Động cơ điêzen (diesel) có Tbh = 0

d Nhiệt độ cuối quá trình nạp

r

m m

r

a r r t k

a

p

p T T

T T

e Hệ số nạp

h

1 v

k v

p

p p

p T T

T

1

v

V

V M

M G

Pít tông đi từ ĐCD lên ĐCT, quá trình nén thực sự bắt đầu tại

điểm d2 trên đồ thị công; nhiệt độ, áp suất môi chất tăng dần, diện

tích trao đổi nhiệt giữa môi chất và thành vách các chi tiết trong

buồng cháy giảm cho nên quá trình nén là quá trình trao đổi nhiệt

phức tạp Có thể coi đây là quá trình nén đa biến với chỉ số đa biến

n thay đổi Nhiệt lượng trao đổi không những thay đổi về trị số mà

còn thay đổi về hướng

2.2.1 Diễn biến và các thông số của quá trình nén

-Đầu quá trình nén, T  TW, môi chất nhận nhiệt, đường nén

khi đó dốc hơn đường đoạn nhiệt, n  k

-Trong quá trình nén, áp suất và nhiệt độ của môi chất tăng

dần, chênh lệch nhiệt độ T-TW giảm nên nhiệt lượng nhận giảm dần

dẫn tới n cũng giảm dần Cho tới khi T = TW, nhiệt lượng trao đổi

bằng 0, lúc đó n = k

-Trong giai đoạn tiếp theo, do T  TW nên môi chất mất nhiệt

cho vách các chi tiết nên n  k

- Nếu như biết được n1 ta có thể dễ dàng tìm được nhiệt độ và áp suất cuối quá trình nén (không cháy) tại điểm c:

Hình 2-2: Diễn biến quá trình nén

1

n a

c p

p  

1 n a

Để tính toán n1 ta sử dụng công thức:

T2

ba

83141

n

1 n a v

2.3.1 Khái quát về quá trình cháy

Quá trình cháy là quá trình ôxy hoá nhiên liệu, giải

phóng hoá năng thành nhiệt năng và diễn ra rất phức tạp

Yêu cầu đối với quá trình cháy là nhiên liệu cháy đúng lúc,

cháy kiệt để đạt tính hiệu quả và tính kinh tế cao, đồng thời

tốc độ tăng áp suất





p không quá lớn để động cơ làm việc

ít rung giật và hạn chế tải trọng động tác dụng lên các chi

tiết của cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền Ngoài ra, các

thành phần độc hại trong khí xả phải nằm trong giới hạn

cho phép theo qui định về bảo vệ môi trường

Một số thông số đặc trưng cho quá trình cháy là:

Tốc độ cháy : biểu thị lượng hòa khí tham gia phản

ứng trong một đơn vị thời gian (kg/s hay kmol/s) Tốc độ

cháy  quyết định tốc độ tỏa nhiệt

cháy-đồ thị pha

xy lanh

Tốc độ phản ứng oxi hóa ': biểu thị tốc độ cháy riêng cho một đơn vị thể tích hòa khí (kg/sm3 hay kmol/sm3)

Tốc độ lan tràn màng lửa u(m/s): quyết định thời gian cháy hòa khí

Quá trình cháy phu thuộc vào rất nhiều yếu tố, trong đó phương pháp hình thành hòa khí và cách thức đốt cháy nhiên liệu có ảnh hưởng nhiều nhất

2.3.2 Diễn biến quá trình cháy và giãn nở

Quá trình cháy bắt đầu tại điểm c’ khi bugi bật tia lửa điện (động cơ xăng) hoặc vòi phun phun nhiên liệu vào xy lanh (động cơ điêzen (diesel)) và kết thúc tại điểm z

Quá trình cháy bắt đầu trước khi pít tông đến ĐCT một góc s là góc đánh lửa sớm (động cơ xăng) hay góc phun sớm (động cơ điêzen (diesel))

Tiếp theo quá trình cháy là quá trình giãn nở sinh công, quá trình này bắt đầu từ điểm z trên

đồ thị công là điểm kết thúc quá trình cháy cho đến điểm b’’ là điểm mở sớm của xuppapthải

a Quá trình cháy trong động cơ xăng

Do đặc điểm hình thành hỗn hợp bên ngoài xy lanh (trừ động cơ phun xăng trực tiếp), quá trình cháy trong động cơ xăng có thể chia ra thành 3 giai đoạn như sau

Giai đoạn I: Cháy trễ, tính từ lúc bugi bật tia lửa

điện tại điểm 1 đến khi đường cháy tách khỏi đường

nén tại điểm 2 Trong giai đoạn này hình thành những

nguồn lửa đầu tiên từ bugi và bắt đầu dịch chuyển

màng lửa Lượng hỗn hợp tham gia phản ứng ít (chỉ

tới khoảng 1,5%) nên lượng nhiệt toả ra nhỏ không

làm thay đổi áp suất đường nén

Các thông số đặc trưng của giai đoạn cháy trễ là

thời gian cháy trễ i (s) hay góc cháy trễ i (oTK), phụ

thuộc trước hết vào thành phần và tính chất của nhiên

liệu, mức độ chuyển động rối của môi chất, nhiệt độ

lân cận bugi tại thời điểm đánh lửa và năng lượng tia

lửa

Giai đoạn II: Cháy nhanh, diễn ra từ điểm 2 đến

điểm 3, màng lửa lan tràn với tốc độ lớn Do hỗn hợp đã được chuẩn bị rất tốt từ trước nên phần lớn bị đốt cháy trong giai đoạn này Do đó, tốc độ toả nhiệt rất lớn trong khi thể tích xy lanh thay đổi ít nên gần với quá trình cấp nhiệt đẳng tích Cuối giai đoạn này màng lửa hầu như lan tràn khắp buồng cháy và áp suất trong xy lanh đạt cực đại

Thông số đặc trưng của giai đoạn cháy nhanh là tốc độ tăng áp suất:

Hình 2-4: Diễn biến quá trình cháy trong động cơ xăng

c

z p p

Giai đoạn III: Cháy rớt, diễn ra từ điểm 3 đến điểm 4 Tốc độ cháy giảm Pít tông đi càng xa

khỏi ĐCT Do đó hiệu quả sinh công ít Nhiệt sinh ra chủ yếu làm nóng các chi tiết Để hạn chế cháy rớt có thể áp dụng các biện pháp như chọn góc đánh lửa sớm, cường độ xoáy lốc của môi

chất thích hợp và sử dụng đúng loại nhiên liệu yêu cầu

b Quá trình cháy trong động cơ điêzen (diesel)

Tương tự như trong động cơ xăng, trên thể hiện

áp suất và nhiệt độ trong xy lanh Ngoài ra còn thể hiện

qui luật phun thông qua đại lượng  là tỷ lệ (%) lượng

nhiên liệu đã phun so với lượng nhiên liệu chu trình gct,

qui luật cháy x (%) và tốc độ toả nhiệt dx/d Động cơ

điêzen (diesel) là động cơ có quá trình hình thành hỗn

hợp bên trong xy lanh Từ đặc điểm này có thể chia quá

trình cháy thành 4 giai đoạn

Giai đoạn I: Cháy trễ, tính từ khi vòi phun phun

nhiên liệu tại điểm 1 đến khi đường cháy tách khỏi

đường nén 2 Trong giai đoạn này xảy ra các quá trình

tạo thành hỗn hợp và chuẩn bị cháy như xé nhỏ nhiên

liệu, bay hơi và hoà trộn nhiên liệu, phản ứng sơ bộ

hình thành những trung tâm tự cháy đầu tiên và bước

đầu phát triển những trung tâm này

Các thông số đặc trưng của giai đoạn cháy trễ là thời gian cháy trễ i (s) hay góc cháy trễ i

(oTK), phụ thuộc trước hết vào thành phần và tính chất của nhiên liệu như số xetan , độ nhớt…Ngoài ra, thời gian cháy trễ còn chịu ảnh hưởng của các yếu tố khác như nhiệt độ và áp suất trong xy lanh tại thời điểm phun, độ phun tơi, mức độ chuyển động rối của môi chất…

Giai đoạn II: Cháy nhanh, diễn ra từ điểm 2 đến điểm 3 Phần hỗn hợp đã được chuẩn bị

trong giai đoạn cháy trễ bốc cháy rất nhanh làm cho áp suất và nhiệt độ trong xy lanh tăng vọt Tốc

độ toả nhiệt rất lớn trong khi thể tích xy lanh thay đổi ít nên giai đoạn cháy nhanh gần với quá trình cấp nhiệt đẳng tích

Hình 2-5: Diễn biến quá trình cháy

trong động cơ diesel

4'3'

2'1'

43

21

ĐCT

Thông số đặc trưng của giai đoạn cháy nhanh là tốc độ tăng áp suất

càng lớn, động cơ làm việc không

êm và ngược lại Trong thực tế,





MN/m20TK, lớn hơn nhiều (khoảng 3 lần) so với của động cơ xăng vì tỷ số nén cao hơn Chính vì vậy nên động cơ điêzen (diesel) làm việc không êm như động cơ xăng

Giai đoạn III: Cháy chính, diễn ra từ điểm 3 đến điểm 4 Hỗn hợp vừa chuẩn bị vừa cháy

nên quá trình cháy diễn ra từ từ với tốc độ cháy giảm dần Vì vậy quá trình cháy diễn ra êm dịu hơn Có thể coi giai đoạn cháy chính gần với quá trình cấp nhiệt đẳng áp và toàn bộ quá trình cháy trong động cơ điêzen (diesel) gần với chu trình cấp nhiệt hỗn hợp Tốc độ cháy được quyết định bởi tốc độ hoà trộn giữa nhiên liệu và không khí hay tốc độ chuẩn bị hỗn hợp Mặt khác, tốc độ cháy giảm còn do nồng độ oxy giảm dần Do đó, tuy động cơ làm việc êm nhưng hiệu quả biến đổi nhiệt thành công giảm (tính kinh tế giảm) và tăng khả năng cháy rớt ở giai đoạn sau Trong thực tế khoảng 40  50% lượng nhiên liệu chu trình cháy trong giai đoạn III

Giai đoạn IV: Cháy rớt, cũng như ở động cơ xăng trong giai đoạn cháy rớt sẽ cháy nốt

những phần hỗn hợp còn lại Hiệu quả sinh công thấp, nhiệt sinh ra chủ yếu làm nóng các chi tiết Giai đoạn cháy rớt được coi là kết thúc khi cháy hết 9597% lượng nhiên liệu chu trình Để hạn chế cháy rớt có thể áp dụng các biện pháp như chọn góc phun sớm s, cường độ vận động rối của môi chất thích hợp

c Diễn biến quá trình giãn nở

Trong quá trình giãn nở xảy ra nhiều quá trình vật lý

phức tạp như cháy rớt, tái hợp sản vật cháy, truyền nhiệt

phức tạp từ môi chất với vách các chi tiết và lọt

khí…Tương tự như quá trình nén, có thể coi đây quá trình

đa biến với chỉ số đa biến n thay đổi Đầu quá trình giãn nở,

môi chất nhận nhiệt nên đường giãn nở thoải hơn đường

đoạn nhiệt (nằm trên), n  k Pít tông càng đi xa ĐCT, cháy

rớt giảm và diện tích trao đổi nhiệt tăng nên lượng nhiệt

nhận được giảm và lượng nhiệt mất mát tăng Do đó n tăng

dần cho đến điểm M với n = k, tại đó lượng nhiệt nhận

được bằng lượng nhiệt mất mát Nói cách khác, đó là chế

độ đoạn nhiệt tức thời Từ đó trở đi, môi chất mất nhiệt

ngày càng nhiều, đường giãn nở dốc hơn đường đoạn nhiệt

(nằm dưới), n  k

Để tính toán đơn giản, cũng tương tự như quá trình nén, ta thay quá trình đa biến với n thay đổi bằng quá trình đa biến với chỉ số n2 = const với điều kiện cùng điểm đầu z và cùng công giãn

nở Theo kinh nghiệm n2 nằm trong khoảng 1,25  1,29

Hình 2-6 Diễn biến quá trình

Biết được n2 ta có thể dễ dàng tìm được nhiệt độ và áp suất cuối quá trình giãn nở tại điểm b

2 2

2

z n

y b

y z z n

b

z z

V V

V V p V

V p

b

z z

V

V T T

1 p p

Là hiện tượng nhiệt độ tại một hay một số vùng trong

buồng cháy đủ lớn để tự cháy với sự xuất hiện ngọn lửa cục

bộ khi ngọn lửa từ bugi chưa lan tràn tới

Nguồn lửa này phát triển rất nhanh, lan tràn với tốc độ

lớn và chèn ép với vùng cháy do ngọn lửa từ bugi, gây ra

sóng va kèm theo tiếng gõ rất đanh và áp suất trong buồng

cháy dao động với tần số lớn Nhiên liệu không kịp cháy bị

phân huỷ thành các bon tự do nên khí thải có khói đen

Do kích nổ, động cơ rất nóng và công suất giảm nên

không thể tiếp tục làm việc được

Kích nổ là hiện tượng đặc thù ở động cơ xăng Những

yếu tố nào làm tăng nhiệt độ cục bộ chính là nguyên nhân

gây kích nổ: tỷ số nén lớn, nhiên liệu có chỉ số ốctan nhỏ,

góc đánh lửa sớm không phù hợp…

b Cháy sớm

Là hiện tượng cháy xảy ra khi bugi chưa bật tia lửa

điện Nguồn lửa có thể là các chi tiết quá nóng hoặc muội

than nóng đỏ, nên cháy sớm không có qui luật và không điều

khiển được Cháy sớm làm tăng công nén, máy rất nóng tới

mức có thể làm chảy pít tông Kích nổ và cháy sớm thường đi

kèm với nhau vì có cùng nguyên nhân là nhiệt độ cao

c Ngắt điện vẫn làm việc

Hình 2-7: Áp suất trong xilanh

khi có kích nổ

Hình 2-8: Áp suất trong xylanh khi có cháy sớm

Hiện tượng này xảy ra khi động cơ làm việc lâu ở trạng thái tải lớn, tốc độ vòng quay thấp

Khi đó nhiệt độ các chi tiết rất cao và thời gian cháy trễ đủ lớn để hỗn hợp tự cháy

d Nổ trong xy lanh

Khi động cơ làm việc lâu ở chế độ không tải, hỗn hợp quá đậm, nhiên liệu cháy không hết phân hủy thành muội than và bị nung nóng đỏ bám lên các chi tiết như bugi, xuppap Khi động cơ chuyển về chế độ có tải thì đây chính là những nguồn lửa đốt hỗn hợp hầu như đồng thời ở nhiều

điểm trong xy lanh gây ra tiếng nổ

e Nổ trong đường thải

Khi động cơ đang làm việc ở chế độ tải lớn đột ngột chuyển về chế độ không tải nếu động cơ dùng chế hòa khí thì hỗn hợp khi đó sẽ quá đậm Quá trình cháy khi đó có thể kéo dài cho tới tận đường thải gây tiếng nổ

2.3.4 Những thông số cơ bản của quá trình cháy, các nhân tố ảnh hưởng

*) Những nhân tố ảnh hưởng đến quá trình cháy động cơ xăng

a Góc đánh lửa sớm s

làm tốn công nén và máy nóng Ngược lại s nhỏ quá làm

cho quá trình cháy kéo dài trên đường giãn nở, nhiệt độ khí

thải cao, máy nóng và hiệu quả sinh công kém Lựa chọn

được s tối ưu sẽ cho tính kinh tế và tính hiệu quả cao nhất

Tuy nhiên cần lưu ý rằng với s tối ưu chưa thể khẳng định

rằng nồng độ độc hại trong khí thải động cơ thấp nhất

b Hệ số dư lượng không khí λ

Hỗn hợp xăng và không khí trong động cơ xăng có giới hạn cháy hẹp 0,4 <  < 1,68 Vì vậy,

để điều chỉnh tải trọng phải sử dụng phương pháp điều chỉnh lượng thông qua một bộ phận tiết lưu trên đường nạp như bướm ga… hoặc điều chỉnh lượng kết hợp với điều chỉnh chất trong động cơ phun xăng trực tiếp

Nếu  càng lớn (hỗn hợp càng nhạt) nhiệt toả ra ít, công suất động cơ giảm Mặt khác nếu hỗn hợp càng nhạt thì cháy rớt càng kéo dài, hiệu quả sinh công giảm, do đó làm giảm tính hiệu quả và tính kinh tế của động cơ Để khắc phục phần nào ảnh hưởng do cháy rớt có thể tăng s

Ngược lại, nếu  nhỏ quá, hỗn hợp rất đậm, nhiên liệu cháy không hết làm giảm tính kinh tế của động cơ và tăng ô nhiễm môi trường

c Tỷ số nén 

Khi tăng  làm cho nhiệt độ và áp suất tại thời điểm đánh lửa p1 và T1 tăng dẫn tới giảm i và

i Để bảo đảm điều kiện 2 = 3 nói trên thì phải giảm góc đánh lửa sớm s.

d Kết cấu buồng cháy và bố trí bugi

Hình 2-9: Ảnh hưởng của góc

đánh lửa sớm

Kết cấu buồng cháy gọn, bugi đặt giữa hoặc bố trí nhiều bugi làm cho thời gian và góc giành cho quá trình cháy nhanh là 2-3 và 2-3 được rút ngắn Đồng thời





p

tăng và cháy rớt giảm

Nếu buồng cháy có xoáy lốc hợp lý thì tốc độ cháy tăng dẫn tới

chính là nguyên tắc điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo tốc độ vòng quay n trong động cơ xăng

f Tải trọng

Khi giảm tải trọng phải đóng bớt bướm ga trên đường nạp làm tăng hệ số khí sót r và làm giảm áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nén Hỗn hợp khi đó phải đậm hơn Do đó i tăng và tốc độ cháy giảm làm cho quá trình cháy kéo dài, tính kinh tế giảm và tăng ô nhiễm môi trường Để hạn chế ảnh hưởng này thì phải tăng góc đánh lửa sớm s Đây chính là nguyên tắc điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo tải trọng trong động cơ xăng

*) Những nhân tố ảnh hưởng đến quá trình cháy động cơ diezel

a Tính chất của nhiên liệu

Nhiên liệu có số xêtan lớn (tính tự cháy cao), thì thời gian cháy trễ i giảm, lượng nhiên liệu

chuẩn bị trong thời gian cháy trễ giảm nên

Góc phun sớm s lớn quá thì điều kiện cho quá trình chuẩn bị không thuận lợi do nhiệt độ và

áp suất tại thời điểm phun nhiên liệu còn nhỏ Do đó thời gian cháy trễ i dài, lượng hỗn hợp chuẩn

Gi¶ng viªn: Khæng V¨n Nguyªn 26

Vì vậy, lựa chọn góc phun sớm tối ưu là một trong những nhiệm vụ đầu tiên của người thiết

kế Góc phun sớm s tối ưu phụ thuộc vào chế độ làm việc (tốc độ vòng quay, tải trọng…) tỷ số nén, kết cấu buồng cháy… và thường được lựa chọn bằng thực nghiệm

d Chất lượng và quy luật phun nhiên liệu

Nếu nhiên liệu phun tơi tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chuẩn bị hỗn hợp thì thời gian cháy trễ i và tốc độ tăng áp suất





p

nhỏ, động cơ làm việc êm

Nếu rút ngắn thời gian phun tức là tăng cường độ phun sẽ làm cho lượng nhiên liệu chuẩn bị trong giai đoạn cháy trễ tăng lên dẫn tới tăng

e Xoáy lốc và quy luật phun nhiên liệu

Xoáy lốc làm tăng khả năng hoà trộn nhiên liệu với không khí, giảm thời gian cháy trễ i và

giảm cháy rớt Tóm lại, xoáy lốc là một biện pháp rất hiệu quả nhằm hoàn thiện quá trình cháy Tuy nhiên, xoáy lốc với cường độ quá lớn sẽ tốn nhiều năng lượng, làm tăng tổn thất cơ giới và có thể dẫn tới giảm tính kinh tế và tính hiệu quả của động cơ

f Tải trọng động và hệ số dư lượng không khí λ

Hỗn hợp nhiên liệu không khí trong động cơ điêzen (diesel) có giới hạn cháy rất rộng trong khoảng 1,2  10 Vì vậy người ta dùng phương pháp điều chỉnh chất tức là điều chỉnh chính 

thông qua điều chỉnh lượng nhiên liệu chu trình gct để điều chỉnh tải

Khi giảm tải, gct giảm,  tăng, thời gian phun giảm do đó

quá trình cháy cũng được rút ngắn Vì vậy phải giảm góc phun

tải trọng đối với động cơ điêzen (diesel)

g Tốc độ vòng quay n

Khi tăng tốc độ vòng quay, thời gian của quá trình cháy

(tính theo s) bị rút ngắn nhưng cường độ xoáy lốc tăng và nhiên

liệu phun tơi hơn Tổng hợp lại, góc dành cho hai giai đoạn cháy

chủ yếu 2-4 thay đổi ít nhưng góc cháy trễ i tăng lên, do đó

phải tăng góc phun sớm s Đây chính là nguyên tắc điều chỉnh

góc phun sớm theo tốc độ vòng quay trong động cơ điêzen

Khi xuppap thải mở sớm tại điểm b’, do chênh lệch áp suất lớn, dòng khí lưu động qua xuppap thải với vận tốc rất lớn tới 600  700 m/s Trong giai đoạn thải tự do tính đến điểm b” (ĐCD) có tới 60  70% khí cháy được thải ra khỏi xy lanh Từ ĐCD trở đi tới ĐCT, môi chất trong xy lanh bị pít tông đẩy cưỡng bức qua xuppap thải với vận tốc khoảng 200  250 m/s Khi đó píttông tiêu tốn một công gọi là công bơm

Góc mở sớm xuppap thải 3 có ảnh hưởng lớn đến chất lượng thải và công bơm Nếu mở sớm quá thì công giãn nở sẽ tổn thất nhiều, tuy nhiên công bơm nhỏ do áp suất trong xy lanh nhỏ

và ngược lại

Vì vậy, 3 được lựa chọn sao cho lợi nhất về công

Góc đóng muộn 4 được lựa chọn trong quan hệ chặt chẽ với góc mở sớm xuppap nạp 1

nhằm bảo đảm thải sạch và nạp đầy nhất có thể (r nhỏ và v lớn) Mục đích cuối cùng cũng nhằm đạt được công của chu trình là lớn nhất tức là lợi nhất về công

Pha phối khí tối ưu thường lựa chọn bằng thực nghiệm

2.4.2 Các thông số và các nhân tố ảnh hưởng

+ Phân tích ảnh hưởng của tiết diện lưu thông của xupap

Tiết diện lưu thông của xupap có ảnh hưởng quyết định đối với chất lượng thay đổi khí của quá trình thải và nạp

Fk = π.h.(dn.cosα + h.sinα.cos2α)

Trong đó:

α: góc của mặt nấm xupap

dn: đường kính của mặt nấm xupap

h: độ nâng của xupap





 gọi là trị số “thời gian – tiết diện”

+ Trị số “thời gian – tiết diện” của xupap là tổng số tiết diện mà xupap mở được trong khoảng thời gian t1 đến t2 tức là thời gian bắt đầu mở xupap đến đóng xupap

+ Trị số “thời gian – tiết diện” phụ thuộc vào dn, α, quy luật phối khí và biên dạng cam

Kết luận: Việc thải sạch và nạp đầy phụ thuộc vào trị số “thời gian – tiết diện” của xupap hay chất lượng của cơ cấu phân phối khí phụ thuộc vào trị số “thời gian – tiết diện”

Chương 3: CƠ CẤU SINH LỰC

3.1 Giới thiệu chung

3.1.1 Chức năng

Là nguồn cung cấp động năng cho các hoạt động của ôtô: cung cấp mô men quay cho bánh

đà, dẫn động các cơ cấu, hệ thống khác (hệ thống nhiên liệu, cơ cấu phân phối khí, hệ thống làm mát…)

3.1.2 Yêu cầu

- Hiệu suất làm việc cao

- Làm việc ổn định

- Không rung giật, ít gây tiếng ồn

- Kích thước và trọng lượng nhỏ, công suất riêng lớn

- Khởi động, vận hành, chăm sóc dễ dàng

- Thành phần gây ô nhiễm môi trường nhỏ

3.2 Thân máy, xy lanh, nắp máy và các te (đáy hứng dầu)

3.2.1 Thân máy

Hình 3.1 Thân máy

3.2.1.1 Chức năng

- Là nơi lắp đặt và bố trí hầu hết các cụm chi tiết của động cơ

- Là nơi lấy nhiệt từ thành vách xylanh

- Duy trì áp suất nén của piston và tiếp nhận áp suất nổ

3.2.1.2 Phân loại

a) Phân loại theo kiểu làm mát

- Thân máy làm mát bằng nước: Thường ở động cơ ô tô, máy kéo

- Thân máy làm mát bằng gió: Thường gặp ở động cơ xe máy

b) Phân loại theo kết cấu kếu

- Thân xylanh – hộp trục khuỷu: Thân xylanh đúc liền hộp trục khuỷu

- Thân máy rời: Thân xylanh làm rời với hộp trục khuỷu và lắp với nhau bằng bulông hay

gugiông

c) Phân loại theo tình trạng chịu lực khí thể:

- Thân xylanh hay xylanh chịu lực: Lực khí thể tác dụng lên lắp xylanh, qua gu giông nắp máy rồi chuyền xuống truyền xuống thân xylanh

- Vỏ thân chịu lực: Lực khí thể chuyền qua gu giông xuống vỏ thân, xylanh hoàn toàn không chịu lực khí thể

- Gugiông chịu lực: Lực khí thể hoàn toàn do gu giông chịu

3.2.1.3 Đặc điểm cấu tạo:

Tùy thuộc vào phương pháp lắp đặt trục khuỷu trong hộp trục khuỷu mà thân máy có cấu tạo khác nhau

- Kết hợp với piston và nắp máy tạo thành buồng cháy

- Dẫn hướng cho piston

- Tản nhiệt cho buồng cháy

Hình 3.3 Các dạng xylanh

3.2.2.4 Đặc điểm cấu tạo

Xylanh có cấu tạo dạng ống trụ Mặt trong được gia công với độ bóng cao Được làm cứng qua nhiều gia đoạn đảm bảo chịu ăn mòn cơ học và hóa học tốt

3.2.3 Nắp máy

3.2.3.1 Chức năng:

- Là chi tiết dùng để đậy kín buồng cháy

- Kết hợp với xylanh, piston tạo thành buồng cháy

- Là nơi lắp đặt nhiều bộ phận của động cơ như: Bugi, vòi phun, cụm xupap…

- Kết hợp với đỉnh piston tạo thành dạng vòng xoáy của hỗn hợp khí cháy

3.2.3.2 Yêu cầu

- Có đủ sức bền cơ học, độ cứng vững khi chịu nhiệt độ cao và áp suất lớn nhưng trọng lượng phải nhỏ

- Tạo được dạng buồng cháy thích hợp

- Dễ dàng tháo lắp, điều chỉnh, bảo dưỡng và sửa chữa các cơ cấu và chi tiết lắp trên nắp xylanh

- Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và ứng suất nhiệt bé

- Đảm bảo đậy kín buồng cháy, không bị lọt khí, rò nước

3.2.3.3 Phân loại

Gồm 3 loại chính: Nắp máy động cơ xăng, nắp máy động cơ diezel, nắp máy động cơ làm mát bằng gió

a) Nắp máy động cơ xăng:

Nắp máy có kết cấu tùy thuộc dạng buồng cháy

- Nắp máy động cơ dùng cơ cấu phân phối khí dạng xupáp treo: Xupáp nạp lớn hơn xupap

thải, bugi đặt ở hông buồng cháy, vách buồng cháy thường có khoang chứa nước làm mát, có khoang để luồn đũa đẩy dẫn động xupap, lỗ lắp gu giông lắp máy, lỗ dẫn nước làm mát Động cơ xăng có tỷ số nén trung bình và thấp thường dùng loại lắp xylanh có buồng cháy hình chêm Có tên là động cơ Ricacdo

- Nắp máy động cơ dùng cơ cấu phân phối khí dạng xupap đặt: Nắp máy cấu tạo đơn giản,

khác so với nắp máy động cơ dùng cơ cấu phân phối khí dạng xúpap treo là bugi gần xupap nạp để tránh kích nổ

b) Nắp máy động cơ diezel

Phức tạp hơn nắp máy động cơ xăng, trên nắp máy phải bố trí rất nhiều chi tiết: đường nạp, thải, cụm xupap của cơ cấu phân phối khí dạng xupap treo Ngoài ra còn rất nhiều chi tiết như: Vòi phun, buồng cháy phụ, van khí nén, bugi sấy…

Động cơ nhiều xylanh nắp máy có thể làm rời cho từng xylanh hoặc cụm xylanh (gồm 1 vài xylanh)

c) Nắp máy động cơ làm mát bằng gió

Là kết cấu chịu ứng suẩt nhiệt lớn nhất, nắp xylanh được làm rời với lắp với hộp trục khuỷu bằng các gugiông Nắp thường được chế tạo bằng hợp kim nhôm

3.2.4 Các te

3.2.4.1 Chức năng

Chứa dầu bôi trơn, bảo vệ phía dưới thân máy, bảo vệ trục khuỷu và làm mát động cơ

3.2.4.2 Yêu cầu

Đảm bảo cung cấp đủ dầu trong quá trình tăng tốc hoặc phát hành

3.2.4.3 Đặc điểm cấu tạo

Đáy lắp với thân máy bằng vít, đệm máy làm bằng giấy nệm Ngoài ra ở hai đầu cácte được lắp phớt ngăn chảy dầu Đáy dầu phải có kết cấu có các tấm chắn sóng trong đáy dầu hoặc hai phái của bơm dầu để dầu không bị tạo sóng hoặc bị thổi khi bơm trong lúc động cơ tăng tốc hoặc dừng Đáy cácte thường có hai bậc Bậc trên ở ngay phía điểm thấp nhất của hành trình biên, trải dài khắp đáy dầu Toàn bộ dầu trở về đáy dầu qua lưới trước khi trở về chỗ chứa ở bậc dưới Các te thường chia làm 3 ngăn, ngăn giữa thường sâu hơn 2 ngăn bên

Hình 3.4 Cácte ô tô

3.3 Cụm piston

3.3.1 Piston

3.3.1.1 Chức năng

- Cùng các chi tiết khác tạo thành buồng cháy

- Nhận lực khí thể và truyền lực cho thanh truyền trong quá trình giãn nở

- Nhận lực từ thanh truyền trong quá trình hút, nén hỗn hợp khí cháy và quá trình xả sản vật cháy

3.3.1.2 Yêu cầu

Đối với vật liệu làm piston cần có một số yêu cầu sau:

+ Có độ bền lớn khi nhiệt độ cao và tải trọng thay đổi

+ Có trọng lượng riêng nhỏ

+ Có hệ số giãn nở nhỏ nhưng hệ số dẫn nhiệt lớn

+ Chịu mài mòn tốt và chống ăn mòn hóa học của khí cháy

+ Giá thành rẻ

3.3.1.3 Kết cấu

Để thuận lợi phân tích kết cấu có thể chia piston thành

những phần như đỉnh, đầu, thân và chân piston

Hình 3.5 Piston 1: Đỉnh piston

2: Đầu piston

3: Thân piston

a) Đỉnh Piston

Cùng với xylanh, nắp xylanh tạo thành buồng cháy, về mặt

kết cấu có các loại đỉnh sau:

- Đỉnh bằng: Có diện tích chịu nhiệt nhỏ, kết cấu đơn giản Thường được sử dụng trong

động cơ diezel buồng cháy dự bị và buồng cháy xoáy lốc (hình 3.6.a)

- Đỉnh lồi: Có sức bền lớn, đỉnh mỏng nhẹ nhưng diện tích chịu nhiệt lớn Thường được sử

dụng trong động cơ xăng 2 kỳ và 4 kỳ xupáp treo, buồng cháy chỏm cầu (hình 3.6.b và 3.6.c)

- Đỉnh lõm: Có thể tạo xoáy lốc nhẹ, tạo thuận lợi cho quá trình hình thành hòa khí và cháy

Tuy nhiên sức bền kém và diện tích chịu nhiệt lớn Loại đỉnh này thường được sử dụng ở cả động

cơ xăng và động cơ diesel (hình 3.6.d)

- Đỉnh chứa buồng cháy: Thường gặp trên động cơ diesel (hình 3.6.e,f,g,h) Kết cấu buồng cháy phải thỏa mãn các yêu cầu sau tùy từng trường hợp cụ thể:

+ Phải phù hợp với hình dạng buồng cháy và hướng của chùm tia phun nhiên liệu để tạo

thành hỗn hợp tốt nhất

+ Phải tận dụng được soáy lốc của không khí trong quá trình nén

Hình 3.6 Các dạng buồng cháy đỉnh piston

b) Đầu piston

Đường kính đầu piston thường nhỏ hơn đường kính thân vì thân là phần dẫn hướng của piston Kết cấu đầu piston phải đảm bảo những yêu cầu sau:

- Bao kín tốt cho buồng cháy: Nhằm ngăn khí cháy lọt xuống cacte dầu và dầu bôi trơn từ

cácte lọt lên trên buồng cháy

- Tản nhiệt tốt cho piston: Để tản nhiệt tốt thường dùng các kết cấu đầu piston sau:

+ Phần chuyển tiếp giữa đỉnh và đầu có bán kính chuyển tiếp R lớn

+ Dùng gân tản nhiệt dưới đầu piston

+ Tạo rãnh ngăn nhiệt ở đầu piston để giảm nhiệt lượng chuyền cho séc măng thứ nhất + Làm mát cho đỉnh piston (trong động cơ cỡ lớn đỉnh piston thường được làm mát bằng dầu lưu thông như hình 3.7.f)

- Sức bền cao: Để tăng sức bền và độ cứng vững cho bệ chốt piston người ta người ta thiết

kế các gân trợ lực

Hình 3.7 Các dạng đỉnh piston

c) Thân piston:

Có nhiệm vụ hướng cho piston chuyển động trong xylanh

Chiều cao h của thân được quyết định bằng điều kiện áp suất tiếp xúc do lực ngang N gây ra phải nhỏ hơn áp suất tiếp xúc cho phép

D h

N

[ p]

- Vị trí tâm chốt: Phải được bố trí sao cho piston và xylanh mòn đều, đồng thời phải giảm va đập và gõ khi piston đổi chiều Một số động cơ có tâm chốt lệch với tâm xylanh 1 giá trị e về phía

nào đó sao cho lực ngang Nmax giảm để hai bên chịu lực N của piston và xylanh mòn đều

- Chống bó kẹt piston: Có nhiều nguyên nhân gây ra bó kẹt piston trong xylanh cụ thể:

+ Lực ngang N

+ Lực khí thể

+ Kim loại giãn nở

Do những nguyên nhân trên piston thường bị bó kẹt theo phương tâm chốt piston Đối với piston bằng hợp kim nhôm hệ số nở dài lớn càng dễ sảy ra bó kẹt

+ Chế tạo than piston có dạng ô van, trục ngắn trùng với tâm chốt

+ Tiện vát 2 mặt ở bệ chốt chỉ để lại một cung α = 90 ÷ 100o để chịu lực mà không ảnh

hưởng nhiều đến phân bố lực

+ Xẻ rãnh nở trên thân piston Khi xẻ rãnh người ta không xẻ hết để đảm bảo độ cứng vững

cần thiết và thường xẻ chéo để tránh xylanh bị gờ xước Khi nắp cần chú ý để bề mặt thân xẻ rãnh

về phía lực ngang N nhỏ Loại này có ưu điểm là khe hở lúc nguội nhỏ, động cơ không gõ khởi

động dễ dàng Nhược điểm độ cứng vững của piston giảm nên thường dùng ở động cơ xăng

+ Đúc bằng hợp kim có độ nở dài nhỏ

d) Chân piston:

Hình 3.10 là một kết cấu điển hình của chân piston Theo

kết cấu này thân có vành đai để tăng độ cứng vững mặt trụ a

cùng với mặt đầu của chân piston là chuẩn công nghệ khi gia

công và là nơi điều chỉnh trọng lượng của piston sao cho đồng

đều giữa các xylanh

3.3.2 Chốt piston

3.3.2.1 Chức năng

Chốt piston là chi tiết nối chốt piston với thanh truyền đảm bảo điều kiện làm việc bình

thường của động cơ

3.3.2.2 Đặc điểm cấu tạo

Hình3.11 Lắp cố định chốt piston trên đầu nhỏ thanh truyền và trên bệ chốt

Đa số các chốt piston có kết cấu đơn giản như dạng trụ rỗng Các kiểu lắp ghép giữa chốt

piston với piston, thanh truyền:

- Cố định chốt piston trên đầu nhỏ thanh truyền (hình 3.11 a)

- Cố định chốt piston trên bệ chốt (hình 3.11 b)

- Lắp tự do ở cả hai mối ghép (hình 3.12 a) Phương pháp này được dùng phổ biến ngày

nay Tuy nhiên phải giả quyết vấn đề bôi trơn ở cả hai mối ghép và phải có kết cấu hạn chế di

chuyển dọc trục của chốt, thường dùng vòng hãm (hình 3.12.b) hoặc nút kim loại mềm có mặt cầu

như hình 3.12.c

Hình 3.12 Lắp tự do chốt piston

- Các phương án bôi trơn:

+ Đối với bệ chốt thường được khoan lỗ để dẫn dầu do xéc măng gạt dầu về (hình 3.13a)

hoặc khoan lỗ hứng dầu như (hình 3.13b)

+ Đối với thanh truyền người ta có thể bôi trơn bằng cách khoan lỗ hứng dầu hoặc bôi trơn cưỡng bức kết hợp làm mát đỉnh piston bằng dầu áp suất cao dẫn từ trục khuỷu dọc theo thanh truyền

Hình 3.13 Bôi trơn các mối ghép chốt piston

- Truyền phần lớn nhiệt độ từ đầu piston sang thành xylanh

- Đưa dầu đi bôi trơn cho piston xylanh xécmăng

3.3.3.2 Đặc điểm kết cấu

a) Xéc măng khí:

Xéc măng có kết cấu rất đơn giản là một vòng hở miệng hình 3.15.a Kết cấu của xéc măng

khí được đặc trưng bởi kết cấu của tiết diện và miệng của xéc măng

- Về mặt tiết diện xécmăng khí:

+ Để có đượng ưu điểm trên và tránh được những điều phiền phức đã nêu, người ta đưa ra kết cấu tiết diện không đối xứng bằng cách tiện vát tiết diện xéc măng (hình 3 15.d và e) Khi lắp các piston và xylanh, do có sức căng nên xéc măng bi vênh đi nên có tác dụng như một mặt côn Khi lắp ráp phải chú ý: Nếu vát phía ngoài (hình 3 15.d) thì phải lắp hướng xuống phía dưới còn vát phía trong (hình 3 15.e) thì phải lắp hướng lên buồng cháy, nhằm tránh hiện tượng giảm lực căng của xéc măng do áp suất cao của khí lọt từ buồng cháy

+ Loại hình thang – vát (hình 3 15.f) có tác dụng giữ muội than khi xéc măng co bóp do đường kính xylanh không hoàn toàn đồng đều theo phương dọc trục, do đó tránh được hiện tượng

bó kẹt xéc măng trong rãnh của nó

- Về kết cấu miệng:

+ Loại thẳng (hình 3 15.g) dễ chế tạo nhưng dễ lọt khí và sục dầu qua miệng

+ Loại hình (hình 3 15.h) có thể khắc phục phần nào những nhược điểm trên

+ Loại bậc ( hình 3 15.i) bao kín rất tốt nhưng khó chế tạo

b) Xéc măng dầu:

Hình 3 16 Hiện tượng bơm dầu của xécmăng khí

- Ở rãnh xécmăng dầu của piton có rãnh thoát dầu (hình 3 17) Một số xec măng dầu có kết cấu tiết diện dạng lưỡi cạo gạt dầu thường gặp trong thực tế

Hình 3 .17 Xéc măng dầu tổ hợp

- Kết cấu của xécmăng dầu tổ hợp gồm 3 chi tiết riêng rẽ Do có lò xo hình sóng ép hai vòng thép mỏng lên mặt đầu của rãnh nên xec măng khi làm việc không có khe hở mặt dầu Do đó xec măng dầu tổ hợp có tác dụng ngăn dầu và giảm va đập rất tốt