báo cáo tiểu luận cuối kì môn thiết kế hệ thống động cơ đốt trong chủ đề thiết kế hệ thống bôi trơn làm mát. Nhằm nắm bắt kiến thức về các chi tiết có trong hệ thống ví dụ như quạt làm mát, két nước làm mát, bộ lọc, bơm...
Trang 1Phần 1 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÔI TRƠN ĐỘNG CƠ XM4-0519 3.1 Phân tích lựa chọn sơ đồ hệ thống bôi trơn:
- Hệ thống bôi trơn cưỡng bức là loại hiện đại làm việc chắc chắn hơn nhưng phức tạp hơn Nguyên nhân là do việc dẫn dầu cưỡng bức luôn đảm bảo có lớp dầu cần thiết và đảm bảo việc dẫn nhiệt ra từ các bề mặt làm việc được tốt hơn
- Vì vậy loại hệ thống này thường được ứng dụng ở các động cơ xăng cũng như các động cơ có số vòng quay cao, trong đó lực quán tính của các bộ phận chuyển động qua lại và lực quán tính ly tâm có trị số cao
- Khi bôi trơn cưỡng bức, dầu được dẫn đến các gối đỡ với số lượng dư sẽ rửa các cặn bẩn và mạt kim loại, tạo điều kiện thuận lợi cho sự làm việc của các gối đỡ Do
đó khi bôi trơn cưỡng bức, dầu ít tiếp xúc với các chi tiết máy và không khí nên dầu
bị ôxy hoá chậm hơn, mức tiêu thụ dầu nhờn sẽ thấp hơn
- Sau khi phân tích ưu nhược điểm của từng hệ thống bôi trơn, cùng với việc tham khảo một số động cơ tương tự (Động cơ G4ED-GSL 1.6) trên thực tế em lựa chọn phương án thiết kế hệ thống bôi trơn cho động cơ XM4-0519 là hệ thống bôi trơn cưỡng bức cácte ướt
Hình 1-1: Sơ đồ hệ thống bôi trơn
Trang 21-Lưới lọc dầu; 2-Cacte; 3-Bơm dầu; 4-Van an toàn; 5-Lọc dầu; 6-Khóa dầu vào két; 7-Két làm mát dầu; 8-Trục khuỷu; 9-Thanh truyền; 10-Vòi phun dầu; 11-Đường dầu chính; 12-Xupap; 13- Gối đỡ cam; 14-Trục cam; 15-Bánh răng trục cam
- Dầu trong các-te (1) được bơm dầu (3) hút qua lọc dầu (5) tại đây dầu được lọc sạch tạp chất rồi đi đến đường dầu chính (11) trong thân động cơ
- Từ đây dầu sẽ vào các đường dầu của thân máy và nắp xy lanh đi bôi trơn các ổ
đỡ trục khuỷu, trục cam, bạc đầu nhỏ thanh truyền sau đó rồi sau đó sẽ tự rơi về lại các-te
- Van an toàn (4) của bơm dầu có nhiệm vụ giữ cho áp suất của dầu bôi trơn do bơm dầu bôi trơn cung cấp cho hệ thống luôn không đổi Khi hệ thốngbôi trơn có một bộ phận bị tắc, khi đó van này sẽ tự động mở cho dầu bôi trơn trở về các-te đảm bảo cho áp suất dầu bôi trơn trong hệ thống luôn ở giá trị cần thiết
- Két làm mát dầu (7) có nhiệm vụ giảm nhiệt độ của dầu giữ cho dầu bôi trơn luôn
ở mức nhiệt độ cần thiết Khi nhiệt độ dầu đạt đến nhiệt độ quy định, khóa (6) sẽ cho phép dầu đi qua két để tiến hành làm mát
3.2 Tính toán thiết kế bơm và lọc dầu:
3.2.1 Phân tích chọn loại bơm:
Hình 1-2: Kết cấu bơm bánh răng ăn khớp trong
Trang 31- Bánh răng chủ động; 2- Bánh răng bị động; 3- Đường dầu vào
4- Xẹc lip; 5- Van an toàn; 6- Đường dầu ra
- Trong hệ thống bôi trơn động cơ XM4-0519 sử dụng bơm bánh răng ăn khớp trong
vì :
+ Động cơ này lắp trên xe du lịch nên yêu cầu các chi tiết nhỏ gọn và bơm dầu cũng vậy
+ Áp lực bơm tạo ra lớn, hoạt động mạnh mẽ và ít gây tiếng ồn
+ Mặc dù bơm bánh răng ăn khớp trong đắt hơn song lại làm việc tin cậy hơn
+ Áp suất đầu vào, đầu ra của bơm: Pv, Pr
+ Công suất bơm: Nb
Để xác định được các thông số, kích cơ bản trên của bơm dầu bôi trơn, ta phải xác định được lưu lượng dầu bôi trơn cần thiết để bôi trơn các bề mặt ma sát Vd, từ đó xác định được lưu lượng của bơm dầu cần cung cấp Vb
Từ lưu lượng của bơm ta sử dụng các công thức tính liên quan để xác định các kích thước chi tiết của bơm
3.2.2.1 Lượng nhiệt dầu mang đi:
- Lưu lượng dầu dùng để bôi trơn các bề mặt ma sát được xác định bằng phương pháp cân bằng nhiệt của động cơ theo tài liệu [3], vì nhiệt lượng do dầu nhờn tải đi phụ thuộc nhiều vào trạng thái nhiệt của ổ trục và tổng nhiệt lượng do nhiên liệu cháy trong xilanh sinh ra Qt
- Theo số liệu thực nghiệm, đối với các loại động cơ đốt trong ngày nay, nhiệt lượng
do dầu đem đi Qd thường chiếm khoảng 1,5÷2% tổng nhiệt lượng do nhiên liệu cháy trong xylanh sinh ra Qt Vì vậy có thể xác định Qd theo công thức sau:
Qd = (0,0150,02).Qt [kcal/h] (1-1), [1]
Trang 4Chọn : Qd = 0,016.Qt
Qt : Lượng nhiệt do nhiên liệu cháy sinh ra trong quá trình cháy trong 1 giờ phụ
thuộc vào công suất động cơ N e và hiệu suất của động cơ ηe được xác định theo phương trình sau: Qt =
e e
N
.632
3.2.2.2 Lượng dầu cần thiết để bôi trơn các bề mặt ma sát:
- Lưu lượng dầu cần thiết để bôi trơn các bề mặt ma sát phụ thuộc vào nhiệt lượng
do dầu bôi trơn mang đi Qd, khối lượng riêng của dầu bôi trơn , và tỷ nhiệt của dầu
Cd, và được xác định thông qua công thức sau :
Vd =
t C
Q
d
d
[l/h] (1-3), [1]
Với: t = (1015) [0C] : Khoảng chênh nhiệt độ [1]
Cd = 0,5 [kcal/kg0C] : Tỷ nhiệt của dầu [1]
0,85 [kg/l] : Khối lượng riêng của dầu [1]
=> Vd = 2325, 76
0,85.0,5.12 = 456,03 [l/h]
3.2.2.3 Xác định lưu lượng của bơm dầu:
- Để đảm bảo cung cấp lượng dầu bôi trơn tới các bề mặt ma sát nói trên thì bơm dầu cần phải cung cấp một lưu lượng Vb’ dầu lớn gấp vài lần Do đó lưu lượng Vb’ [lít/h] của bơm dầu được xác định theo công thức kinh nghiệm :
Vb’ = (2÷3,5).Vd [l/h] (1-4), [1] Đối với động cơ xăng : Vb’ = (14÷20).Ne [1]
Ta chọn : Vb’ = 19.Ne [l/h]
Vb’ = 19.69 = 1311 [l/h]
Trang 5Lưu lượng dầu bôi trơn do bơm cung cấp Vb’ phụ thuộc vào lưu lượng lý thuyết của bơm Vb và hiệu suất thủy lực của bơm theo công thức :
Vb’ = b.Vb =>
'
b b b
V V
1872,86
0, 7
b b
b
V V
+ Chiều cao răng : h [mm]
+ Đường kính chân răng : Dc [mm]
+ Áp suất đầu ra bơm : Pr [MN/m2]
+ Áp suất đầu vào bơm : Pv [MN/m2]
+ Công suất bơm : Nb [kW]
- Sau khi xác định được lưu lượng lý thuyết của bơm Vb và các thông số tính toán
ở trên ta thiết kế sao cho kích thước bơm là nhỏ nhất mà đảm bảo lưu lượng dầu cần thiết cung cấp cho các bề mặt ma sát , Vb của bơm phụ thuộc vào các thông số chi tiết như: mođun, số vòng quay, chiều dày, và số răng của bánh răng chủ động, xác định theo công thức sau :
Vb = 2..m2.Z.b.nb.60.10-6 [l/h] (1-7), [1]
Trong đó :
Trang 6+ Z : Số răng [mm]
Chọn số răng của bánh răng chủ động z1 = 10; bánh răng bị động z2 = 11
+ m : Modun của bánh răng [mm], theo tiêu chuẩn chọn m = 5 mm
+ nb : số vòng quay của bơm dầu [vg/ph]
+ b : độ dày của bánh răng [mm], chọn b = 10 [mm]
+ nb : số vòng quay của bơm [vg/ph] , chọn nb = 2000 [vg/ph]
=> Vb = 2..52.10.10.2000.60.10-6 = 1884,9 [l/h] > 1887,2 [l/h] (thỏa mãn)
- Xác định kích thước bánh răng :
+ Đường kính vòng chia bánh răng chủ động : D1 = z1.m = 10.5 = 50 [mm]
+ Đường kính vòng chia bánh răng bị động : D2 = z2.m = 11.5 = 55 [mm]
3.2.2.5 Xác định công suất dẫn động bơm dầu :
- Lưu lượng của bơm phụ thuộc nhiều vào công suất bơm, nhưng công suất bơm dầu lại thay đổi theo các thông số:
+ Lưu lượng lý thuyết bơm : Vb [l/h]
+ Áp suất đầu vào : Pv [kg/cm2]
+ Áp suất đầu ra của bơm : Pra [kg/cm2]
+ Hiệu suất cơ giới : ηm
- Công suất dẫn động bơm có thể được tính theo công thức sau :
pr : áp suất đầu ra Chọn pr = 4 kg/cm2 [1]
pv : áp suất đầu vào Chọn pv = 1,1 kg/cm2 [1]
Vb = 1774,8 [l/h]
Vậy công suất của bơm là :
1
.1872,86.(4 1,1) 0, 2370,85.27000
b
Trang 73.2.3 Tính lọc dầu:
3.2.3.1 Phân tích chọn loại bầu lọc:
Thiết bị lọc dầu của các loại động cơ đốt trong ngày nay có thể chia ra làm 5 loại chính:
- Bầu lọc cơ khí: dùng các phần tử lọc cơ khí, loại này hiện nay ít dùng
- Bầu lọc thấm: bầu lọc thấm hiện nay được dùng hết sức rộng rãi, nguyên lý làm việc của bầu lọc thấm cụ thể như sau : Dầu nhờn có áp suất cao thấm qua các khe
+ Do không dùng lõi lọc nên khi bảo dưỡng không cần thay thế phần tử lọc
+ Tính năng lọc ít phụ thuộc vào mức độ cặn bẩn lắng đọng trong bầu lọc
+ khả năng lọc tốt hơn nhiều so với loại lọc thấm dùng lõi lọc
- Lọc từ tính: lọc từ tính chủ yếu dùng để lọc mạt sắt trong dầu nhờn, loại lọc này thường dùng một thanh nam châm lắp trên nút dầu ở đáy cacte,do hiệu quả rất cao nên hiện nay được dùng rất rộng rãi
- Lọc hóa chất: loại này chủ yếu dùng hóa chất như cácbon hoạt tính, phèn chua để hấp thu tạp chất, hiện nay hầu như không dùng loại này nữa
=> Qua phân tích ưu nhược điểm các loại bầu lọc trên, ta chọn bầu lọc toàn phần loại lọc thấm dùng tấm lọc bằng giấy làm nhiệm vụ lọc tinh vì có nhiều ưu điểm như lọc sạch dầu, dể dàng thay thế, với nguyên lý làm việc như sau:
Trang 8Hình 1– 3: Kết cấu bầu lọc toàn phần 1-Vòng làm kín 2- Đường dầu vào 3- Tấm lọc
4- Vỏ lọc dầu 5- Van an toàn
Dầu nhờn được qua lỗ (2) vào trong lọc dầu Khi làm việc bình thường dầu qua tấm lọc (3) để lại cặn bẩn trên thành tấm lọc và theo đường dầu ra đi bôi trơn Khi tấm lọc bị tắc do nhiều cặn bẩn bám lên thì dầu sẽ đi xuống phía dưới đẩy van an toàn (5) lên và đi bôi trơn mà không cần lọc
3.2.3.2 Tính toán bầu lọc :
Tính toán bầu lọc dùng lõi giấy rất khó vì thường không xác định được chính xác khả năng thông qua của bầu lọc Khi thiết kế ta tham khảo bầu lọc của động cơ có công suất tương đương Căn cứ vào dung tích công tác của động cơ là 1.597 lít nên
ta chọn bầu lọc có kích thước cơ bản như sau :
Đường kính lõi lọc : 116 [mm]
Chiều cao lõi lọc : 126 [mm]
1.2.4 Tính toán két làm mát dầu
Xác định các thông số cơ bản như sau:
Nhiệt lượng của động cơ truyền cho dầu nhờn:
Trang 9tdv,t dr - Nhiệt độ đầu vào và ra khỏi động cơ (0C);
tdvk, tdrk - Nhiệt độ vào và ra khỏi két làm mát dầu (0C);
cd - Tỷ nhiệt của dầu nhờn (kcal/kg0C); Cd = 0,5 kcal/kg0C
ρ - Mật độ của dầu nhờn (kg/l)
Chênh lệch nhiệt độ của dầu trong két làm mát thường chọn bằng nhiệt độ của dầu vào và ra khỏi động cơ
Do đó: (td-tk) = (tdr-tdv)
Đối với động cơ xăng thường chọn: ∆td=10-20οc
Nhiệt độ trung bình của dầu nhờn trong két thường vào khoảng 75 ÷ 85 0C Nhiệt độ trung bình của không khí quét qua két làm mát dầu trong điều kiện làm việc nặng có thể chọn bằng 450C
Hệ số truyền nhiệt Kd phụ thuộc khá nhiều nhân tố truyền nhiệt
Đối với loại két làm mát dầu dùng kiểu ống thẳng và nhẵn :
3.2.4Tính lượng dầu chứa trong các-te :
- Lưu lượng dầu trong các-te Vct có thể xác định theo công thức kinh nghiệm sau: Đối với động cơ xăng : Vct = (0,06 0,12).Ne [ l ] (1-13), [3] Chọn Vct = 0,08.Ne = 0,08.69 = 5,52 [ l ]
Vậy lượng dầu chứa trong các-te là : 5,52 [ l ]
Trang 10Phần 2: Thiết Kế HỆ THỐNG LÀM MÁT ĐỘNG CƠ XM4-0519
4.1: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN SƠ ĐỒ HỆ THỐNG LÀM MÁT
4.1.1 Nhiệm vụ
-Trong động cơ đốt trong,khi làm việc sẽ sản sinh ra một lượng nhiệt lớn nhiệt này
sẽ truyền cho các chi tiết tiếp xúc với khí cháy,người ta ước lượng rằng lượng nhiệt truyền cho các chi tiết này sẽ chiếm khoảng 25-35% nhiệt lượng do cháy tỏa ra.vì vậy các chi tiết đó sẽ bị nung nóng mãnh liệt khi đó nhiệt độ của các chi tiết sẽ cao dẫn đến:
+Làm giảm sức bền,độ cứng vững và tuổi thọ của động cơ
+Làm giảm độ nhớt của dầu bôi trơn gây ra tăng tổn thất ma sát
+Gây bó kẹt piston do biến dạng nhiệt
+Làm giảm lượng khí nạp vào xylanh
Dó đó trong động cơ cần phải có hệ thống làm mát để thực hiện quá trình truyền nhiệt từ khí cháy qua thành buồng cháy đến môi chất làm mát đảm bảo cho các chi tiết không nóng quá cũng không nguội quá để tránh các tác hại kể trên
3.1.2: Điều kiện làm việc của hệ thống làm mát
Hệ thống làm mát phải làm việc tốt trong mọi điều kiện hoạt động của động cơ để đảm bảo các chi tiết của động cơ luôn được làm mát tránh tình trạng hư hỏng động
cơ do két làm mát.mặt khác hệ thống làm mát phải phù hợp với từng chế độ nhiệt của động cơ các chi tiết không được nóng quá cũng không được nguội quá để tránh
giảm công suất của động cơ truyền cho hệ thống làm mát
3.1.3: Lựa chọn hệ thống làm mát cho động cơ XM4-0519
Sau khi phân tích nhiệm vụ và điều kiện làm việc của hệ thống và căn cứ vào động
cơ hiện tại xét thấy:
+ động cơ XM4 được đặt trên xe du lịch kết cấu nhỏ gọn, đơn giản
+ Xem xét động cơ tham khảo có các thông số tương tự (Động cơ G4ED-GSL 1.6 lắp trên xe Huyndai Accent 2006)
Trang 11Hình 2-1: Sơ đồ bố trí quạt và két nước của động cơ G4ED
Trang 12Hình 2-2: Sơ đồ bố trí quạt và két nước của động cơ G4ED
Ta chọn được hệ thống làm mát cưỡng bức tuần hoàn bằng nước
- Sơ đồ hệ thống làm mát:
Trang 13Hình 2-3: Sơ đồ hệ thống làm mát
1-Két làm mát dầu hộp số; 2-Bơm; 3- Cánh quạt; 4-Bình chứa nước phụ; 5-Két nước; 6-Nắp két làm mát; 7-Van hằng nhiệt; 8- lốc nước nắp máy; 9- lốc nước làm mát thân
Nguyên lí làm việc:
- Nước được tuần hoàn nhờ bơm nước 2, qua các ống phân phối nước vào khoang chứa của các xilanh Để phân phối nước làm mát đều cho mỗi xilanh, nước sau khi bơm vào thân máy chảy qua ống phân phối đúc sẵn trong thân máy Khi mới khởi động do nhiệt độ động cơ cũng như nhiệt độ nước thấp van hằng nhiệt đóng lại không cho qua két mà trở về thẳng bơm sẽ giúp máy khởi động nhanh hơn Khi nhiêt độ nước làm mát lớn hơn 820C van hằng nhiệt mở ra Nước theo dòng tuần hoàn từ nắp máy qua van rồi tới két làm mát Tại đây nước được làm mát do két có tiết diện tiếp xúc với không khí lớn và dòng khí do quạt và sự chuyển động của xe sinh ra Nước được làm mát quay về lại bơm và thực hiện chu rình mới trong một
số trường hợp nước làm mát ở két có áp suất cao Sẽ theo nắp két nước trở về bình chứa
Trang 143.2: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG LÀM MÁT
3.2.1 Xác định lượng nhiệt từ động cơ truyền cho nước làm mát:
Nhiệt lượng từ động cơ truyền cho nước làm mát có thể coi gần bằng số nhiệt lượng đưa qua bộ tản nhiệt truyền vào không khí, lượng nhiệt truyền cho hệ thống làm mát của động cơ xăng chiếm khoảng 20 ÷ 30%, còn của động cơ điêden chiếm khoảng 15 ÷ 25% tổng số nhiệt lượng do nhiên liệu toả ra Nhiệt lượng Q lm có thể tính theo công thức kinh nghiệm sau đây:
- Hiệu nhiệt độ nước vào và ra bộ tản nhiệt: Với động cơ ô tô máy kéo t n = 5
÷ 10C Tính toán hệ thống làm mát thường tính ở chế độ công suất cực đại
3.2.2 Tính két nước:
Bao gồm việc xác định bề mặt tản nhiệt để truyền nhiệt từ nước ra môi trường không khí xung quanh Xác định kích thước của mặt tản nhiệt trên cơ sở lý thuyết truyền nhiệt Truyền nhiệt trong bộ tản nhiệt chủ yếu là đối lưu Két nước tản nhiệt của động cơ ô tô máy kéo có một mặt tiếp xúc với nước nóng và mặt kia tiếp xúc với không khí
Trang 15Do đó truyền nhiệt từ nước ra không khí là sự truyền nhiệt từ môi chất này đến
môi chất khác qua thành mỏng Như vậy quá trình truyền nhiệt có thể phân ra làm
ba giai đoạn ứng với ba phương trình truyền nhiệt sau:
- Từ nước đến mặt thành ống bên trong:
𝑄1𝑚= ∝1 𝐹1 (𝑡𝑛− 𝑡𝛿1) = 2500 ∗ 4.914 ∗ 10 = 122850, J/s; [4] (3.2.1)
Q − Nhiệt lượng của động cơ truyền cho nước làm mát bằng nhiệt lượng do
nước dẫn qua bộ tản nhiệt (J/s);
1
− Hệ số tản nhiệt từ nước làm mát đến thành ống của bộ tản nhiệt (W/m2.độ);
λ − Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống dẫn nhiệt W/m.độ (kcal/m.h˚C);
δ − Chiều dày của thành ống (m);
t ,t kk− Nhiệt độ trung bình của nước làm mát trong bộ tản nhiệt và của không
khí đi qua bộ tản nhiệt
Giải các phương trình trên ta có:
Trang 162
1 1
1
1 2
1 2
2
kk n
lm
t t k
Q F
t t
[oC] (2-8) [1]
Trong đó, nhiệt độ nước vào tnv và nhiệt độ nước ra tnr của két nước có thể lấy bằng nhiệt độ nước vào và nhiệt độ nước ra của động cơ Chế độ làm việc hợp lí nhất của động cơ nằm trong giới hạn (80 90) oC
Chọn: tnv = 82 oC; tnr = 90 oC
tn =t nv t nr o C
86 2
90 82
Nhiệt độ trung bình của không khí xác định theo công thức sau:
2
kkr kkv kk
t t
[oC] (2-9) [1] Nhiệt độ của không khí vào (tkkv) phía trước bộ tản nhiệt lấy bằng 49oC Chênh lệch nhiệt độ không khí qua bộ tản nhiệt tkk lấy bằng 2030oC