Bài giảng kết cấu và tính toán động cơ đốt trong chương 7 HV kỹ thuật quân sự

+ US nhiệt lớn, rạn nứt PT.+ Giảm cơ tính vật liệu chế tạo pít tông.. - Mài mòn cơ học và ăn mòn hóc học + Do lực ngang N ép PT và thành XL, do biến dạng của PT dưới tác dụng của tải cơ

7.5 XÉC MĂNG

7.1 Nhiệm vụ, điều kiện làm việc, yêu cầu và vật liệu chế tạo pít tông

7.1.1 Nhiệm vụ của nhóm pít tông

- Cùng với lót XL, nắp máy tạo thành buồng cháy cho ĐC

- Tiếp nhận lực khí thể, truyền cho TT làm quay TK và ngược lại tiếp nhậnlực từ TK (của bánh đà hoặc XL khác) trong các kỳ tiêu thụ công (nạp, nén,thải)

- Nhận nhiệt từ môi chất công tác truyền qua xéc măng tới lót XL cho môi chất làm mát

- Bao kín buồng cháy (ngăn khí lọt xuống các-te và dầu nhờn sục lên BC)

- Đối với ĐC 2 kỳ, PT có tác dụng như một van trượt làm nhiệm vụ đóng mởcửa nạp (thải)

7.1.2 Điều kiện làm việc của pít tông

- Tải trọng cơ học

+ Lực khí thể lớn (đạt áp suất 130 bar), tốc độ biến thiên cao (cuối kỳ nén đầu

PT trực tiếp tiếp xúc với sản vật cháy có nhiệt độ rất cao (2300-2800 K)

 nhiệt độ phần đỉnh PT cao (500-800 K); dễ gây ra các tác hại:

+ US nhiệt lớn, rạn nứt PT.

+ Giảm cơ tính vật liệu chế tạo pít tông

+ Biến dạng lớn làm bó kẹt pít tông trong XL, tăng ma sát PT-XL

+ Giảm hệ số nạp  giảm công suất ĐC

+ Phân hủy dầu nhờn nhanh

+ Dễ gây kích nổ với ĐC xăng

- Mài mòn cơ học và ăn mòn hóc học

+ Do lực ngang N ép PT và thành XL, do biến dạng của PT dưới tác dụng của tải cơ học và tải trọng nhiệt, do thiếu dầu bôi trơn  tăng ma sát và mài mòn của PT

+ Do PT tiếp xúc trực tiếp với sản vật cháy và dầu bôi trơn có chứa các a xít

 PT bị ăn mòn hoá học

7.1.3 Yêu cầu của PT

- Đỉnh PT phải tạo ra hình dạng buồng cháy tốt nhất

- Đảm bảo điều kiện bền, cứng vững

- Tản nhiệt tốt để tránh kích nổ, tăng hệ số nạp, giảm trường nhiệt độ, ứngsuất nhiệt

- Khối lượng nhỏ

- Đảm bảo bao kín buồng cháy

- Chịu mài mòn, va đập

- Giãn nở ít

7.1.4 Vật liệu chế tạo

Yêu cầu về vật liệu:

- Có SB ở nhiệt độ cao; trọng lượng riêng nhỏ

- Hệ số giãn nở nhỏ, hệ số dẫn nhiệt lớn

- Cơ tính vật liệu giảm ít khi nhiệt độ tăng

- Chịu mòn tốt trong điều kiện bôi trơn kém và nhiệt độ cao

- Chịu được ăn mòn hoá học

Ưu điểm

- Độ bền cao, chịu mài mòn tốt

- Độ bền giảm ít khi nhiệt độ tăng

- Ở nhiệt độ quá cao, cơ tính kém

- Tính công nghệ của gang graphit

Biện pháp nâng cao cơ tính của PT sử dụng vật liệu HK nhôm:

- Dùng HK nhôm rèn

- Tăng chiều dày

- Thêm nguyên tố Si để giảm hệ số giãn nở

- Dùng các biện pháp công nghệ (xẻ rãnh, thân hình ô van, vành cản nhiệt, gân tăng cứng, khoét bớt vật liệu ở 2 đầu bệ chốt…)

Hình 6.1 Kết cấu pít tông.

1 - Đỉnh pít tông 2 - Đầu pít tông 3 - Thân pít tông

4 - Rãnh lắp xéc măng khí 5 - Rãnh lắp xéc măng dầu 6 - Bệ chốt pít tông

7 - Đuôi (chân) pít tông 8 - Vùng đai xéc măng

7.2 Kết cấu pít tông

Hình 6.2 Các dạng kết cấu đỉnh pít tông.

7.2.1 Đỉnh pít tông

Các yêu cầu khi thiết kế đỉnh PT:

- Có hình dạng thích hợp để tạo hỗn hợp cháy tốt nhất (xoáy lốc, phối hợp với chùm tia phun, cháy thể tích/màng) để đạt các chỉ tiêu kinh tế - năng lượng cao

- Tỷ số diện tích buồng cháy/thể tích

buồng cháy nhỏ để giảm tổn thất

nhiệt, phụ tải nhiệt, tăng hệ số nạp

- Tổ chức truyền nhiệt tốt (góc lượn,

Hình 6.4 Đỉnh piston dạng chỏm cầu

Hình 6.5 Các dạng kết cấu đỉnh pít tông.

7.2.2 Đầu pít tông

- Bao kín buồng cháy

- Bố trí rãnh xéc măng khí, xéc măng dầu phía trên

- Nhận nhiệt từ môi chất công tác và truyền qua đai xéc măng – xéc măng –lót XL – môi chất làm mát

- Các yêu cầu khi thiết kế phần đầu PT:

+ Tản nhiệt tốt

+ Bao kín tốt

+ Đảm bảo độ bền, độ cứng vững

Hình 6.6 Dòng nhiệt truyền trong pít tông

Hình 6.7 Các phương án toả nhiệt cho pít tông.

a -Tăng bán kính chuyển tiếp giữa đỉnh và đầu b - Dùng gân tản nhiệt.

c - Dùng rãnh ngăn nhiệt để giảm nhiệt truyền cho xéc măng thứ nhất.

d - Làm mát bằng dầu bôi trơn.

7.2.2.1 Tản nhiệt

Hình 6.8 Phương án thiết kế mới để giảm nhiệt độ cho pít tông.

Hình 6.9 Pít tông động cơ 40D

Làm mát bằng dầu bôi trơn

Hình 6.10 Pít tông động cơ 61B4

Làm mát bằng dầu bôi trơn

Hình 6.11 Các dạng bố trí gân tản nhiệt

Hình 6.12 Vị trí xéc măng khí thứ nhất

Hình 6.13 Phun dầu trực tiếp vào lỗ làm mát đỉnh PT

(ĐC Sulzer)

Hình 6.14 Sử dụng vật liệu cách nhiệt trên đỉnh PT

(ĐC MAN B&W)

* Khe hở giữa đầu PT và XL:

Đường kính phần đầu PT nhỏ hơn đường kính phần thân

Hình 6.15 Đường kính phần đầu và thân PT

* Khe hở giữa xéc măng và rãnh xéc măng:

Khe hở thường được chọn theo công thức kinh nghiệm

hΔ

Hình 6.17 Đai rãnh XM khí bằng thép

7.2.2.3 Độ bền

Hình 6.18 Các dạng gân tăng cứng cho pít tông

7.2.3 Thân pít tông

Nhiệm vụ: + dẫn hướng cho PT

+ Chịu lực ngang N + Đóng mở cửa nạp (thải)

7.2.3.1 Chiều dài thân PT

Hình 6.19 Vị trí pít tông động cơ 2 kỳ

Hình 6.22 Biến dạng của PT

Hình 6.23 Các phương án chống bó kẹt pít tông.

a) Kết cấu hình ô van b) Vát 2 mặt ở bệ chót c) Xẻ rãnh chữ T d) Xẻ rãnh chữ 

e) Đúc miếng kim loại có độ giãn nở dài vì nhiệt nhỏ.

b)

Hình 6.24 Pít tông động cơ Wartsila 20

Hình 6.27 Các dạng chân PT

Hình 6.28 PT có guốc trượt

Hình 6.29 PT ĐC tàu thủy

thấp tốc 2 kỳ

Hình 6.33 Trạng thái ứng suất cơ của PT ĐC B2/B6

Hình 6.34 Trạng thái biến dạng do tải trọng cơ

của PT ĐC B2/B6

7.3.2.2 Tính toán trạng thái nhiệt, ứng suất nhiệt

Hình 6.35 Trạng thái nhiệt của PT ĐC M504

Hình 6.36 Ứng suất nhiệt của PT ĐC M504

Hình 6.37 Ứng suất nhiệt của PT ĐC M504

7.4 Kết cấu, phương án lắp ghép và tính bền chốt pít tông

Nhiệm vụ: liên kết PT với TT, truyền lực khí thể từ PT cho TT, nhận lực từ TT

truyền cho PT trong các kỳ tiêu thụ công

Chốt PT là chi tiết có kết cấu đơn giản nhưng rất quan trọng (nếu nó bị gãy vỡ thì ĐC sẽ bị hư hỏng rất nặng: vỡ thân máy, cong – gãy TK, cong TT…) Chốt

PT chịu lực khí thể và lực quán tính lớn, thay đổi theo chu kỳ và có tính va đập, nhiệt độ làm việc cao và khó bôi trơn

Vật liệu chế tạo:

Phải sử dụng loại vật liệu có độ bền cao, chịu mỏi, mòn tốt

- Vật liệu thường dùng là thép cácbon và thép hợp kim có thành phần cacbon thấp: C20, 20X, 15XA, 15XMA, 12XH3A, 18XHMA … sau đó được nhiệt

luyện, thấm C, thấm N, thấm CN, tôi cứng bề mặt

- Thép C35, C40, C45 cũng được dùng để chế tạo chốt PT của ĐC thấp tốc và trung tốc

- Chốt PT của ĐC cao tốc thường dùng thép HK có thành phần cacbon thấp

- Chốt PT làm bằng thép cácbon và thép hợp kim có thành phần cacbon trung bình sau khi tôi cao tần độ cứng bề mặt ngoài đạt HRC = 58 – 65, độ cứng phần ruột HRC = 26 – 30

- Chốt PT làm bằng thép cácbon và thép hợp kim có thành phần cacbon thấp sau khi thấm C và tôi, độ cứng bề mặt ngoài đạt HRC = 56 – 62, độ cứng phần ruột HRC = 26 – 30

7.4.1 Kết cấu chốt pít tông

Hình 6.38 Các dạng chốt pít tông

Hình 6.40 Cố định chốt pít tông trên đầu nhỏ TT

7.4.2.2 Cố định chốt với đầu nhỏ TT

Hình 6.41 Chốt pít tông lắp tự do

7.4.2.3 Chốt lắp tự do

Hình 6.44 Tổ chức bôi trơn cho chốt pít tông

7.4.3.2 PP PTHH

Hình 6.46 Mô hình tính bền chốt PT

Hình 6.47 Trạng thái ứng suất của chốt PT

Hình 6.48 Trạng thái biến dạng của chốt PT

7.5 XÉC MĂNG

7.5.1 Nhiệm vụ, điều kiện làm việc và vật liệu chế tạo

Nhiệm vụ:

- Xéc măng khí: ngăn khí cháy lọt xuống cacte

- Xéc măng dầu: ngăn dầu bôi trơn sục lên buồng cháy

Điều kiện làm việc:

- Chịu nhiệt độ cao: do tiếp xúc khí cháy, ma sát, truyền nhiệt

- Có khả năng khôi phục các vết xước

- Có khả năng bôi trơn tốt, hệ số ma sát nhỏ

- Ít nhạy cảm với ứng suất tập trung

Ngoài ra, các loại vật liệu khác đang được nghiên cứu phát triển như HK gốm, chất dẻo, graphít.

Sau gia công: mạ Crôm, phun bọc Mo, cacbua, ô xít, …

Đối với xéc măng dầu kiểu tổ hợp: chế tạo bằng PP dập, cán, nhiệt luyện

7.5.2 Kết cấu xéc măng khí

Hình 6.50 Sơ đồ tác dụng bao kín của xéc măng khí

Hình 6.51 Tiết diện ngang của XM khí.

Hình 6.54 XM có ghép vòng

đồng và vòng thiếc

Hình 6.55 Cố định XM trên PT động cơ 2 kỳ

Hình 6.58 Tác dụng bơm dầu của XM khí

1 Pít tông; 2 Xy lanh; 3 Xéc măng

7.5.3 Kết cấu xéc măng dầu

Nhiệm vụ: - Gạt dầu bôi trơn bám trên XL về cacte

- Phân bố 1 lớp dầu mỏng, đều trên XL

Hiện tượng bơm dầu

Hình 6.59 Kết cấu XM dầu

Hình 6.60 Lỗ thoát dầu trên

PT

Hình 6.61 XM dầu tổ hợp

1 Xy lanh; 2 Xéc măng;

3 Đệm lò xo; 4 Pít tông

7.5.4 Tính bền xéc măng

Giả thiết: Coi XM là một dầm cong

- Áp suất nén trung bình nằm trong khoảng:

Hình 6.65 Trạng thái ứng suất công tác của XM

Hình 6.66 Trạng thái ứng suất công tác của XM

Hình 6.67 Trạng thái ứng suất lắp ghép của XM

Hình 6.68 Trạng thái biến dạng của XM khi lắp ráp