Động cơ đốt trong đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế, là nguồn động lực cho các phương tiện vận tải như ô tô, máy kèo, xe máy, tàu thủy, máy bay và các máy công tác như máy phát điện, bơm nước. Động cơ đốt trong là nguồn cung cấp 80% năng lượng hiện tại của thế giới. Chính vì vậy, việc tính toán và thiết kế đồ án môn học động cơ đốt trong đóng vai trò hết sức quan trọng đối với các sinh viên chuyên ngành động cơ đốt trong. Đồ án tính toán thiết kế đồ án môn học động cơ đốt trong là đồ án đòi hỏi người thực hiện phải sử dụng tổng hợp rất nhiều kiến thức chuyên ngành cũng như kiến thức của các môn học cơ sở. Trong quá trình hoàn thành đồ án không những đã giúp cho chúng em củng cố được nhiều các kiến thức đã học và còn giúp em mở rộng và hiểu sau hơn về các kiến thức chuyên ngành của mình cũng như các kiến thức tổng hợp khác. Đồ án này cũng là một bước tập dượt rất quan trọng cho em trước khi tiến hành làm đồ án tốt nghiệp sau này.Mặc dù đã cố gắng rất nhiều để hoàn thành đồ án này một cách tốt nhất, song do những hạn chế về kiến thức cũng như những kinh nghiệm thực tế nên trong quá trình làm không thể tránh được sai sót. Chính vì vậy, chúng em rất mong được sự đóng góp của thầy để đồ án của chúng em được hoàn chỉnh hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy
CHỌN ĐỘNG CƠ MẪU
Lựa chọn xe mẫu
a Yêu cầu: Xe 4 chỗ, 4 xylanh, sử dụng động cơ xăng. b Xe mẫu: MAZDA 3 HATHBACK 1.5 SKYACTIV-G
DANH MỤC Mazda3 Hatchback 1.5L ĐỘNG CƠ & KHUNG XE Động cơ
SkyActiv-G 1.5L 4 xy lanh thẳng hàng 16 van DOHC
Bố trí xy lanh Thẳng hàng/ In-line
Dung tích xy lanh (cc) 1.496
Tỉ số nén 14.0: 1 Đường kính x Hành trình (mm x mm) 74,5 mm x 85,8 mm
Hệ thống nhiên liệu Phun xăng điện tử/ EFI
Loại nhiên liệu Xăng/ Petrol
Công suất tối đa (Kw (Mã Lực)/ vòng/phút) 110hp/6000
Mô men xoắn tối đa (Nm/ vòng/phút) 144/4000
Tiêu chuẩn khí thải Euro4
Hộp số Hộp số tự động 6 cấp
Kích thước tổng thể bên ngoài
Chiều dài cơ sở (mm) 2700
Chiều rộng cơ sở (Trước/sau) (mm) 1520/1520
Khoảng sáng gầm xe (mm) 155 (mm)
Bán kính vòng quay tối thiểu (m) 5.3 (m)
Trọng lượng không tải (kg) 1310 (kg)
Trọng lượng toàn tải (kg) 1760 (kg)
Dung tích khoang hành lý (L) 314
Chế độ lái Thể thao/ Sport Mode
Hệ thống truyền động Dẫn động cầu trước/ FWD
Hộp số Tự động 6 cấp
Trước Mc Pherson với thanh cân bằng/ Mc
Pherson Struts with Stabilizer bar
Sau Liên kết đa điểm
Trợ lực tay lái Trợ lực điện/ EPS
Loại vành Mâm đúc hợp kim nhôm
Lốp dự phòng Mâm đúc hợp kim nhôm
NGOẠI THẤT Cụm đèn trước Đèn chiếu gần Halogen Đèn chiếu xa halogen Đèn chiếu sáng ban ngày Có
Hệ thống rửa đèn Không có
Hệ thống điều khiển đèn tự động Có
Hệ thống nhắc nhở đèn sáng Tự động tắt
Hệ thống mở rộng góc chiếu tự động Không có
Hệ thống cân bằng góc chiếu Không có
Chế độ đèn chờ dẫn đường Không có
Cụm đèn sau LED Đèn báo phanh trên cao LED Đèn sương mù
Chức năng điều chỉnh điện Có
Chức năng gập điện Tự động
Tích hợp đèn báo rẽ Có
Tích hợp đèn chào mừng Không có
Màu Cùng màu thân xe/ Body color
Chức năng tự điều chỉnh khi lùi Có
Bộ nhớ vị trí Không có
Chức năng sấy gương Không có
Chức năng chống bám nước Không có
Chức năng chống chói tự động Không có
Trước Cảm biến gạt mưa tự động
Chức năng sấy kính sau không Ăng ten Có (vay cá mập)
Tay nắm cửa ngoài Cùng màu thân xe với viền bạc (tích hợp nút bấm mở cửa thông minh)
Bộ quây xe thể thao không
Cánh hướng gió sau Có
Chắn bùn Không có Ống xả kép Không có
Nút bấm điều khiển tích hợp Có Điều chỉnh Chỉnh tay 4 hướng
Bộ nhớ vị trí Không có
Gương chiếu hậu trong Chống chói tự động, tích hợp màn hình camera lùi
Tay nắm cửa trong Mạ bạc
Loại đồng hồ Optiron Đèn báo chế độ Eco Có
Chức năng báo lượng tiêu thụ nhiên liệu Có
Chức năng báo vị trí cần số Có
Màn hình hiển thị đa thông tin Có
Chất liệu bọc ghế Da cao cấp
Loại ghế Loại thể thao Điều chỉnh ghế lái Chỉnh điện Điều ghế hành khách Chỉnh tay 4 hướng
Bộ nhớ vị trí Không có
Chức năng thông gió Không có
Chức năng sưởi Không có
Hàng ghế thứ hai Gập lưng ghế 60:40
Tựa tay hàng ghế sau Khay đựng ly + Ốp sơn màu vàng
TIỆN NGHI Rèm che nắng kính sau
Rèm che nắng kính sau Có
Rèm che nắng cửa sau Không có
Hệ thống âm thanh Đầu đĩa Có
Cổng kết nối AUX Có
Cổng kết nối USB Có
Hệ thống điều khiển bằng giọng nói Có
Chức năng điều khiển từ hàng ghế sau Không có
Hệ thống đàm thoại rãnh tay Có
Kết nối điện thoại thông minh Có
Chìa khóa thông minh và khởi động bằng nút bấm Có
Chức năng mở của thông minh Có
Chức năng khóa cửa từ xa Có
Cửa sổ điều chỉnh điện Tự động lên/ xuống vị trí người lái
Cốp điều khiển điện Không có
Hệ thống sạc không dây Không CÓ
Hệ thống điều khiển hành trình Có
Hệ thống báo động Có
Hệ thống mã hóa khóa động cơ Có
Hệ thống chống bó cứng phanh Có
Hệ thống hỗ trợ lực phanh khẩn cấp Có
Hệ thống phân phối lực phanh điện tử Có
Hệ thống ổn định thân xe Có
Hệ thống kiểm soát lực kéo Có
Hệ thống hỗ trợ khởi hành ngang dốc có
Hệ thống hỗ trợ khởi hành đỗ đèo có Đèn báo phanh khẩn cấp Không có
Cảm biến hỗ trợ đỗ xe
AN TOÀN BỊ ĐỘNG Túi khí
Túi khí người lái và hành khách phía trước Có
Túi khí bên hông phía trước Có
Túi khí rèm Có/ With
Túi khí bên hông phía sau Không có
Túi khí đầu gối người lái Có
Túi khí đầu gối hành khách Không có
The front seats are equipped with 3-point ELR seatbelts featuring emergency locking retractor and tension limiters in two positions Additionally, the rear seats also utilize 3-point ELR seatbelts across three positions, ensuring enhanced safety for all passengers.
Thông số và đặc tính kỹ thuật của động cơ mẫu.
Một số hình ảnh về xe.
Tổng thể chiếc xe Đầu xe
Cụm đèn trước Đuôi xe
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TỔ CHỨC PHỤC VỤ ĐỘNG CƠ
Phương án tổ chức quá trình cháy
- Nhiên liệu dùng cho động cơ là xăng.
- Xăng là một hỗn hợp của các loại hydrocacbon có nhiệt độ sôi khoảng
Nhiệt độ trong khoảng 25 – 210 độ C chủ yếu chứa các hydrocacbon với số nguyên tử cacbon từ 4 đến 10 Bên cạnh đó, xăng ô tô còn có thể bao gồm một lượng nhỏ tạp chất và chất phụ gia.
- Các thành phần có trong nhiên liệu:
Tỷ số nén cao, nhiệt độ và áp suất của hỗn hợp xăng – không khí có thể dẫn đến hiện tượng tự cháy khi piston đạt điểm chết trên Nghiên cứu từ Mazda chỉ ra rằng, nếu lượng khí sót trong xi-lanh cuối quá trình thải giảm từ 8% xuống 4%, thì nhiệt độ cuối quá trình nén ở động cơ có tỷ số nén 14:1 sẽ tương đương với động cơ.
Trên động cơ nhiều xi-lanh với cổ xả ngắn, khí xả áp suất cao có thể xâm nhập vào các xi-lanh khác, dẫn đến tình trạng khí sót tăng lên Hệ thống xả 4-2-1 với cổ xả dài giúp giảm thiểu hiện tượng này, từ đó giảm lượng khí sót trong mỗi xi-lanh Đồng thời, công nghệ SkyActiv-G cũng áp dụng piston hốc và chương trình phun nhiên liệu tối ưu để nâng cao hiệu suất động cơ.
Những nỗ lực từ Mazda giúp SkyActiv-G đạt hiệu suất nhiệt cao hơn 15% so với thế hệ trước.
Phương án truyền lực
Hệ thống truyền lực nhận áp lực khí từ xylanh và chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu, đồng thời đảm bảo kín buồng cháy để ngăn khí cháy lọt ra ngoài Ngoài ra, nó còn thực hiện nhiệm vụ nén trong quá trình thải và hút khí nạp mới vào buồng cháy.
2.1.2 Điều kiện làm việc, yêu cầu và phân loại từng bộ phận trong hệ thống. 2.1.2.1 Piston. a Nhiệm vụ.
Piston là một bộ phận quan trọng trong động cơ, có nhiệm vụ tạo buồng cháy cùng với các chi tiết khác như xylanh và nắp xylanh Nó tiếp nhận áp lực từ môi trường làm việc và truyền lực cho trục khuỷu qua thanh truyền Bên cạnh đó, piston còn đảm nhiệm việc nạp, nén khí mới và đẩy khí thải ra khỏi không gian làm việc của xylanh.
Tải trọng cơ học lớn và có chu kỳ, áp suất lớn có thể đạt tới 120 KG/cm 2 , lực quán tính lớn.
Piston tiếp xúc trực tiếp với khí cháy, dẫn đến tải trọng nhiệt cao và có thể đạt nhiệt độ từ 500 – 800 K Nhiệt độ cao này gây ra ứng suất nhiệt lớn cho piston, dẫn đến hiện tượng bó kẹt, nứt, giảm sức bền và có nguy cơ kích nổ.
Ma sát lớn và ăn mòn hóa học là hai vấn đề quan trọng trong quá trình vận hành của piston Ma sát xảy ra do lực ngang, gây khó khăn trong việc đảm bảo bôi trơn hiệu quả, đặc biệt trong các điều kiện khó khăn Bên cạnh đó, ăn mòn hóa học cũng xảy ra khi piston tiếp xúc thường xuyên với sản phẩm cháy, ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị.
Dạng đỉnh piston tạo thành buồng cháy tốt nhất.
Có độ bền, độ cứng đủ để tránh biến dạng quá lớn và chịu mài mòn.
Đảm bảo bao kín buồng cháy để công suất động cơ không bị giảm sút do hiện tượng lọt khí từ buồng cháy xuống cacte.
Tản nhiệt hiệu quả là yếu tố quan trọng giúp ngăn chặn hiện tượng dãn nở nhiệt quá mức của động cơ trong quá trình hoạt động, đồng thời bảo vệ piston khỏi hư hỏng do ứng suất nhiệt Vật liệu chế tạo cũng đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo hiệu suất và độ bền của hệ thống tản nhiệt.
Nhiệt luyện để hợp kim nhôm đạt độ cứng: HB = 120 – 140.
Phương pháp chế tạo là rèn dập có phủ lên bề mặt piston một lớp crôm nhằm tạo bền cho lớp bề mặt. e Phân loại.
Đỉnh bằng: Diện tích chịu nhiệt nhỏ, kết cấu đơn giản.
Đỉnh lõm có khả năng tạo ra xoáy lốc nhẹ, giúp cải thiện quá trình hình thành hỗn hợp và đốt cháy Tuy nhiên, nó có sức bền kém và diện tích chịu nhiệt lớn hơn so với đỉnh bằng.
Đỉnh chứa buồng cháy: Thường gặp ở động cơ diesel.
Truyền lực từ khí thể diễn ra qua piston xuống thanh truyền, trong đó chốt piston có cấu trúc rỗng và được lắp lỏng với bệ chốt piston cùng đầu nhỏ của thanh truyền Điều kiện làm việc của hệ thống này cần được đảm bảo để hoạt động hiệu quả.
Chịu lực va đập, tuần hoàn, nhiệt độ cao và điều kiện bôi trơn khó khăn.
Chịu ma sát dạng nửa ướt và dễ bị mài mòn. c Yêu cầu.
Chốt cần được sản xuất từ vật liệu chất lượng cao để đảm bảo độ bền và cứng vững Bề mặt làm việc của chốt phải được xử lý bằng công nghệ đặc biệt nhằm đạt được độ cứng tối ưu và khả năng chống mài mòn hiệu quả.
Ruột chốt phải dẻo để chống mỏi tốt.
Mặt chốt phải mài bóng để chống ứng suất tập trung và khi lắp ghép với piston, thanh truyền khe hở phải nhỏ. d Phân loại.
- Theo kiểu lắp ghép chốt:
Cố định chốt piston trên bệ chốt piston.
Cố định chốt piston trên đầu nhỏ thanh truyền.
Chốt piston lắp tự do.
- Theo hình dạng: Bề mặt bên trong chốt có dạng hình trục hoặc côn.
2.1.2.3 Xéc-măng. a Nhiệm vụ. Đảm bảo piston di động dễ dàng trong xylanh Xec-măng có 2 loại là xec-măng khí và xec-măng dầu Xec-măng khí làm nhiệm vụ bao kín buồng cháy tránh lọt khí còn xec-măng dầu ngăn cách dầu bôi trơn từ hộp trục khuỷu sụt lên buồng cháy. b Điều kiện làm việc.
Xec – măng được thiết kế để chịu tải trọng cơ học lớn, bao gồm áp lực khí cháy và lực quán tính mạnh, đồng thời có khả năng chịu va đập và chu kỳ Ngoài ra, xec – măng còn phải đối mặt với nhiệt độ cao, ma sát lớn, ăn mòn hóa học và ứng suất lắp ghép ban đầu.
Chịu nhiệt cao: Đặc biệt với xec – măng khí tiếp xúc trực tiếp với khí cháy.
Chịu lực va đập: Vì khi làm việc lực khí thể và lực quán tính tác dụng lên xec – măng.
Chịu mài mòn: Khi làm việc xec – măng ma sát với các xylanh rất lớn. d Phân loại.
Có hai loại là xec – măng khí và xec – măng dầu.
2.1.2.4 Nhóm thanh truyền. a Nhiệm vụ.
Thanh truyền là một chi tiết trung gian quan trọng, với đầu nhỏ kết nối với piston và đầu lớn liên kết với trục khuỷu Chức năng chính của thanh truyền là truyền lực từ piston đến trục khuỷu, đảm bảo hiệu suất hoạt động của động cơ.
Thanh truyền có chuyển động phức tạp, bao gồm chuyển động tịnh tiến của đầu nhỏ cùng với piston, chuyển động lắc của thân thanh truyền, và chuyển động quay của đầu to thanh truyền cùng với trục khuỷu Do đó, thanh truyền phải chịu lực va đập tuần hoàn từ lực khí thể, lực quán tính của nhóm piston và lực tác động từ chính thanh truyền.
Lựa chọn kích thước và vật liệu chế tạo hợp lý để thanh truyền chịu được các lực va đập tuần hoàn như trên. d Phân loại.
Theo tiết diện thân thanh truyền:
Tiết diện hình chữ I: Có sức bền đều theo hai phương, được dùng rất phổ biến từ động cơ cỡ nhỏ đến động cơ cỡ lớn.
Tiết diện hình chữ nhật, ô van: Có ưu điểm là dễ chế tạo, thường dùng ở động cơ mô tô, xuồng máy cỡ nhỏ.
Piston tiếp nhận lực để tạo mômen quay, kéo theo các máy công tác và nhận năng lượng từ bánh đà Tiếp đó, năng lượng này được truyền đến thanh truyền, giúp piston thực hiện quá trình nén và trao đổi khí trong xylanh Điều này đảm bảo hiệu suất làm việc tối ưu cho hệ thống.
Trục khuỷu phải chịu lực từ khí thể và lực quán tính do nhóm piston và thanh truyền tác động Ngoài ra, nó còn phải đối mặt với lực quán tính ly tâm từ các khối lượng quay lệch tâm của chính trục khuỷu và thanh truyền Những lực này gây ra hiện tượng uốn, xoắn, dao động xoắn và dao động ngang lên các ổ đỡ của trục khuỷu.
Đảm bảo động cơ làm việc đồng đều, biên độ dao động mômen xoắn tương đối nhỏ.
Ứng suất sinh ra do dao động xoắn nhỏ.
Động cơ làm việc cân bằng, ít rung động.
Công nghệ chế tạo đơn giản. d Vật liệu chế tạo:
Dùng thép hợp kim crôm, niken Chế tạo bằng phương pháp rèn khuôn. e Phân loại.
Có hai loại trục khuỷu: Trục khuỷu nguyên và trục khuỷu ghép.
Để đảm bảo hiệu suất tối ưu của động cơ, cần giữ cho độ không đồng đều nằm trong giới hạn cho phép Bánh đà không chỉ là bộ phận quan trọng mà còn là nơi lắp đặt vành răng khởi động, đồng thời khắc vạch chia độ góc quay của trục khuỷu.
Phương án trao đổi khí
2.3.1 Nhiệm vụ, yêu cầu. a Nhiệm vụ
Cơ cấu phân phối khí trên động cơ đốt trong đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển quá trình thay đổi môi chất công tác, bao gồm việc thải khí thải ra khỏi xylanh và nạp đầy không khí hoặc hòa khí mới vào xylanh, giúp động cơ hoạt động liên tục Để đảm bảo hiệu suất làm việc của động cơ, cơ cấu này cần đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về hiệu quả và độ tin cậy.
Đóng mở xupap đúng thời gian quy định và đảm bảo độ kín khít.
Độ mở đủ lớn để dòng khí lưu thông
Làm việc êm dịu, tuổi thọ và độ tin cậy cao
Thuận tiện trong việc bảo dưỡng, sửa chữa động cơ và giá thành chế tạo hợp lý.
Hệ thống hiện đại, thiết kế nhỏ gọn.
2.3.2 Các phương án trao đổi khí trên động cơ đốt trong.
2.3.2.1 Cơ cấu phân phối khí kiểu xupap đặt.
Hình 2.4: Cơ cấu phân phối khí bố trí xupap đặt.
Giảm được chiều cao động cơ.
Kết cấu của nắp xylanh đơn giản và dẫn động xupap cũng dễ dàng.
Buồng cháy không gọn gàng.
Tổn thất nhiệt nhiều do diện tích làm mát lớn, làm cho hiệu suất động cơ giảm.
Tăng tổn thất khí động.
Nạp không đầy, thải không sạch.
2.3.2.2 Cơ cấu phân phối khí kiểu xupap treo. a Cơ cấu phân phối khí loại trục cam bố trí trên nắp máy.
Hình 2.5: Cơ cấu phân phối khí loại trục cam bố trí trên nắp máy.
1 Xupap; 2 Ống dẫn hướng; 3 Lò xo xupap; 4 Đĩa lò xo; 5 Con đội; 6 Cam; 7.Móng hãm; 8 Đế xupap.
Làm việc ít tiếng ồn, có độ chính xác cao.
Đường nạp và đường thải thông thoáng, làm cho sức cản khí động nhỏ.
Cơ cấu dẫn động trục cam phức tạp.
Kết cấu phức tạp của nắp xylanh gây khó khăn trong quá trình gia công chế tạo Hệ thống phân phối khí sử dụng trục cam được bố trí trên thân máy.
Hình 2.6: Cơ cấu phân phối khí bố trí trục cam trên thân máy.
1 Ống dẫn hướng; 2 Lò xo xupap; 3 Đĩa lò xo; 4 Móng hãm; 5 Xupap;
6 Đòn bẫy; 7 Vít chỉnh xupap; 8 Đế xupap; 9 Đũa đẩy; 10 Con đội; 11 Cam.
Buồng cháy nhỏ gọn, diện tích truyền nhiệt nhỏ, giảm được tổn thất nhiệt.
Dễ tăng tỉ số nén, đường nạp đường thải thông thoáng, tăng hệ số nạp, giảm hệ số khí sót Đảm bảo góc phối khí chính xác hơn.
Dẫn động xupap phức tạp hơn.
Kết cấu nắp xupap phức tạp, khó chế tạo.
Chiều cao của động cơ tăng lên.
2.3.3 Lựa chọn phương án phân phối khí trên động cơ thiết kế.
Hình 2.7: Cấu tạo hệ thống VVT-i kép.
Nguyên lý làm việc của động cơ DOHC.
Hình 2.8: Cấu tạo động cơ DOHC.
Khi động cơ hoạt động, trục cam quay và các quả cam gắn trên trục cũng quay theo, trực tiếp tác động lên van nạp và xả mà không cần sử dụng con đội hay đũa đẩy.
- Ưu điểm: ặ Dễ sửa chữa. ặ Cơ cấu hoạt động ờm.
- Nhược điểm: Hệ thống phức tạp, khó chế tạo.
Hệ thống nhiên liệu
2.4.1 Nhiệm vụ, yêu cầu. a Nhiệm vụ
Hệ thống nhiên liệu của động cơ xăng có chức năng cung cấp hỗn hợp cháy cho động cơ hoạt động ổn định. b Yêu cầu.
Có độ bay hơi thích hợp để động cơ dễ khởi động và làm việc ổn định.
Có tính chống kích nổ cao, bảo đảm cho động cơ làm việc bình thường ở phụ tải lớn.
Sản phẩm này có tính ổn định hóa học vượt trội, khi cháy không tạo ra muội than trong buồng đốt và không gây ăn mòn cho các chi tiết trong động cơ, đồng thời khí thải ra môi trường cũng rất sạch.
Giảm tiêu hao nhiên liệu.
Kết cấu nhỏ gọn, đơn giản, tiết kiệm không gian, dễ sửa chữa.
Giá thành không quá cao.
2.4.2 Các phương án hệ thống nhiên liệu trên động cơ đốt trong.
Hệ thống phun xăng được chia thành hai loại chính: hệ thống phun xăng cơ khí và hệ thống phun xăng điện tử, dựa trên nguyên tắc hoạt động của chúng.
2.4.2.1 Hệ thống phun xăng cơ khí.
Hình 2.9: Sơ đồ cấu tạo của hệ thống phun xăng cơ khí.
1 Thùng chứa xăng; 2 Bơm xăng điện; 3 Bộ tích lũy xăng; 4 Lọc xăng;
5 Cơ cấu định lượng; 6 Van chênh áp; 7 Van trượt; 8 Khe định lượng;
9 Bộ phân phối; 10 Bộ điều áp áp suất xăng ban đầu;
11 Bộ tiết chế sưởi nóng động cơ; 12 Vòi phun nhiên liệu;
13 Vòi phun khởi động lạnh; 14 Cơ cấu cung cấp không khí phụ trội;
15 Công tắc nhiệt thời gian; 16 Ống góp hút; 17 Vít chỉnh ra –lăng – ti;
18 Bướm ga; 19 Ống khuếch tán; 20 Mâm đo; 21 Bộ cảm biến không khí nạp.
- Nhược điểm: Tiêu hao nhiên liệu lớn.
2.4.2.2 Hệ thống phun xăng điện tử.
Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý làm việc của phun xăng điện tử.
Giảm tiêu hao nhiên liệu.
Tăng hiệu quả sử dụng dung tích xylanh.
Nhạy các với các điều kiện làm việc của động cơ.
Thích ứng được với các chế độ tải khác nhau.
Giảm lượng độc tố trong khí thải.
Sửa chữa và bảo dưỡng đòi hỏi trình độ cao.
Yêu cầu khắc khe về chất lượng nhiên liệu và không khí.
2.4.3 Lựa chọn phương án hệ thống nhiên liệu trên động cơ thiết kế
Hệ thống phun xăng điện tử EFI được ưu tiên sử dụng vì khả năng khắc phục nhược điểm của bộ chế hòa khí, bao gồm giảm sức ngăn cản ống nạp và phân bố hỗn hợp cháy đồng đều trong xylanh Hệ thống này hoạt động với độ chính xác cao, phù hợp với nhiều điều kiện, giúp động cơ hoạt động hiệu quả ở mọi chế độ EFI được chia thành hai kiểu: D-EFI và L-EFI, trong đó L-EFI là lựa chọn tốt hơn nhờ vào việc kiểm tra trực tiếp lượng không khí nạp qua độ đo gió, cho phép ECU xác định chính xác lượng không khí Hệ thống này không chỉ hoạt động chính xác và ít lỗi mà còn vượt trội so với các hệ thống phun xăng khác, đáp ứng yêu cầu giảm tiêu hao nhiên liệu và lượng độc tố trong khí thải.
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý hệ thống phun xăng kiểu L – EFI.
Khi động cơ hoạt động, xăng từ bình chứa được bơm điện hút qua bộ lọc và dẫn đến dàn phân phối Tại đây, xăng được phân phối đến các vòi phun, với bộ điều chỉnh áp suất xăng đảm bảo áp suất ổn định trong ống dẫn ECU tiếp nhận và xử lý thông tin từ các cảm biến, từ đó ra lệnh cho vòi phun phun xăng đúng thời điểm và lượng cần thiết Xăng được phun ra dưới dạng hạt nhỏ, nhanh chóng hóa hơi và hòa trộn với không khí tạo thành hỗn hợp cháy Hỗn hợp này được hút vào xylanh theo trình tự động cơ, và khi bugi đánh lửa, hỗn hợp cháy sẽ bùng nổ sinh công, sau đó khí thải đi qua xupap xả và ra ngoài qua ống xả.
Bơm nhiên liệu là thiết bị quan trọng, có thể được lắp đặt bên trong hoặc bên ngoài bình chứa nhiên liệu Hai loại bơm phổ biến hiện nay là bơm kiểu rotor con lăn và bơm kiểu tuabin, cả hai đều được vận hành bằng động cơ điện một chiều.
Hình 2.12: Cấu tạo bơm nhiên liệu kiểu tuabin.
Lọc nhiên liệu: Dùng để lọc các chất bẩn có trong nhiên liệu, đảm bảo sự làm việc chính xác của hệ thống cung cấp nhiên liệu.
Bộ dập dao động: Dùng để dập các xung nhiên liệu do bơm tạo nên và do sự đóng mở của các kim phun.
Bộ điều áp: Dùng để giữ áp suất phun của kim phun không đổi.
Kim phun xăng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống phun nhiên liệu, với lượng nhiên liệu phun phụ thuộc vào lượng không khí nạp và tốc độ động cơ Bên cạnh đó, hiệu suất làm việc của động cơ cũng được điều chỉnh dựa trên thông tin từ các cảm biến.
Kim phun khởi động lạnh được thiết kế đặc biệt để hỗ trợ động cơ hoạt động hiệu quả trong điều kiện khí hậu lạnh Với điện trở thấp, loại kim phun này được lắp đặt tại buồng nạp, giúp cải thiện khả năng khởi động của động cơ trong thời tiết lạnh giá.
Hệ thống làm mát
2.5.1 Nhiệm vụ, yêu cầu. a Nhiệm vụ.
Hệ thống làm mát có vai trò quan trọng trong việc truyền nhiệt từ khí cháy qua thành buồng cháy đến môi chất làm mát, nhằm duy trì nhiệt độ của các chi tiết ở mức hợp lý, không quá nóng cũng không quá nguội.
Nước làm mát phải sạch, không lẫn tạp chất và các chất ăn mòn kim loại.
Nhiệt độ nước vào làm mát cho động cơ không quá thấp hoặc quá cao.
Bình chứa nước phải có lỗ thoát khí hoặc hơi.
Đùng được nhiều loại nước làm mát.
Các thiết bị như đường ống, thiết kế… phải hoạt động chính xác, an toàn và tin cậy.
Động cơ tạo nhiệt độ ổn định để sự làm mát của động cơ sẽ đơn giản hơn.
Đường đi của nước làm mát phải được lưu thông dễ dàng, không bị tắc, không có góc đọng.
Dễ bảo dưỡng và sửa chữa.
Giá thành không quá cao.
2.5.2 Các phương án làm mát trên động cơ đốt trong.
2.5.2.1 Hệ thống làm mát bằng không khí. a Cấu tạo.
Hình 2.13: Hệ thống làm mát bằng không khí.
1 Quạt gió; 2 Cánh tản nhiệt; 3 Tấm hướng gió; 4 Vỏ bọc;
5 Đường thoát không khí. b Nguyên lý làm việc.
Động cơ làm việc, nhiệt độ các chi tiết bao quanh buồng cháy được truyền tới cánh tản nhiệt rồi tản ra ngoài không khí.
Nhờ có cánh tản nhiệt nên động cơ được làm mát nhanh hơn.
Đối với các động cơ cố định trong hệ thống, việc sử dụng quạt gió giúp tăng cường khả năng làm mát, đảm bảo quá trình làm mát diễn ra đồng đều cho động cơ.
Có cấu tạo đơn giản, không cần có két nước hay bơm nước.
Giảm thời gian hâm nóng động cơ và đảm bảo truyền nhiệt ổn định là những ưu điểm nổi bật của hệ thống không sử dụng nước làm mát Nhiệt lượng từ thành và nắp xylanh được dẫn truyền trực tiếp qua không khí, giúp tăng cường độ tin cậy của hệ thống.
Lưu lượng không khí cung cấp nhiều để làm mát động cơ Sử dụng thuận lợi ở những vùng thiếu nước, ở các sa mạc hay rừng sâu.
Kích thước đông cơ tăng, làm việc ồn.
Yêu cầu cao về dầu bôi trơn và nhiên liệu.
Chỉ sử dụng cho những động cơ có công suất nhỏ như xe máy, không thích hợp cho động cơ ô tô.
Phải có gân tản nhiệt để tăng diện tích làm mát.
2.5.2.2 Hệ thống làm mát bằng nước.
Nước được sử dụng làm môi chất trung gian để tản nhiệt cho các chi tiết, với các loại hệ thống làm mát khác nhau dựa trên tính chất lưu động của nó, bao gồm bốc hơi, đối lưu tự nhiên và tuần hoàn cưỡng bức Trong đó, hệ thống làm mát bằng nước kiểu bốc hơi là một phương pháp hiệu quả để giảm nhiệt độ.
Hình2.14: Hệ thống làm mát kiểu bốc hơi.
1 Thân máy; 2 Piston; 3 Thanh truyền; 4 Hộp cacte – trục khuỷu;
5 Bình nhiên liệu; 6 Bình bốc hơi; 7 Nắp xylanh.
Nguyên lý hoạt động của động cơ là khi vận hành, nước xung quanh buồng cháy sẽ sôi, tạo ra nước sôi với tỷ trọng thấp nổi lên bề mặt thùng chứa và bốc hơi ra ngoài Đồng thời, nước nguội có tỷ trọng lớn sẽ chìm xuống để thay thế cho nước nóng, từ đó hình thành lưu động đối lưu tự nhiên.
Ưu điểm: Kết cấu đơn giản.
Ưu tiên nước nhiều vì nếu không có nguồn nước bổ sung kịp thời thì mức nước trong thùng chứa sẽ giảm đi dữ dội.
Hao mòn thành xylanh không đều. b Hệ thống làm mát bằng nước kiểu đối lưu tự nhiên.
Hình 2.15: Hệ thống làm mát kiểu đối lưu tự nhiên.
1 Thân máy; 2 Xylanh; 3 Nắp xylanh; 4 Đường nước ra két;
5 Nắp két nước; 6 Két nước; 7 Không khí làm mát; 8 Quạt gió;
9 Đường nước làm mát vào động cơ.
Trong hệ thống làm mát đối lưu tự nhiên, nước tuần hoàn nhờ sự chênh lệch khối lượng riêng do nhiệt độ khác nhau Nước nhận nhiệt từ xylanh trong thân máy, làm giảm khối lượng riêng và nổi lên Tại khoang nắp xylanh, nước tiếp tục hấp thụ nhiệt từ các chi tiết xung quanh buồng cháy, khiến nhiệt độ và khối lượng riêng tiếp tục giảm, dẫn đến nước nổi lên vào khoang trên của két làm mát Quạt gió được dẫn động từ trục khuỷu hút không khí qua két, làm mát nước trong két Khi khối lượng riêng giảm, nước chìm xuống khoang dưới của két và quay trở lại thân máy, hoàn thành vòng tuần hoàn Hệ thống làm mát này hoạt động theo kiểu tuần hoàn cưỡng bức.
Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức khắc phục nhược điểm lưu động của dòng nước thấp, từ đó nâng cao hiệu quả làm mát Vận tốc lưu động của dòng nước được gia tăng nhờ bơm nước được lắp đặt trong hệ thống và được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ.
Hệ thống này thích hợp cho các động cơ có công suất cao và các động cơ trên ô tô.
Hệ thống làm mát bằng nước kiểu tuần hoàn cưỡng bức có ba loại sau:
Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức một vòng kín.
Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức hai vòng kín.
Hệ thống làm mát tuần hoàn một vòng hở.
2.5.3 Lựa chọn phương án làm mát trên động cơ thiết kế.
Chọn hệ thống làm mát bằng nước kiểu tuần hoàn cưỡng bức cho ô tô vì nó được sử dụng phổ biến và mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại hệ thống khác.
Hiệu quả làm mát cao và ổn định hơn.
Mức độ làm mát cho xylanh trong cùng động cơ đồng đều hơn.
Giảm được khả năng phát sinh kích nổ trong động cơ xăng, giảm tiếng ồn khi động cơ làm việc.
Tổn hao công suất cho hệ thống làm mát nhỏ hơn.
Kích thước động cơ nhỏ gọn do không phải bố trí cánh tản nhiệt.
Quạt gió có công suất nhỏ nên khi làm việc ít ồn hơn.
Sơ đồ và nguyên lý làm việc của hệ thống làn mát kiểu tuàn hoàn cưỡng bức 1 vòng kín:
Hình 2.16: Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức một vòng kín.
Nước làm mát có nhiệt độ thấp được bơm từ bình chứa dưới két nước qua đường ống để làm mát dầu trước khi vào động cơ Để phân phối nước đều cho các xylanh, nước chảy qua ống phân phối trong thân máy Sau khi làm mát xylanh, nước tiếp tục làm mát nắp máy và ra ngoài qua ống đến van hằng nhiệt Khi van mở, nước vào bình chứa phía trên két nước và sau đó đi qua các ống có cánh tản nhiệt, nơi nước được làm mát nhờ dòng không khí từ quạt Cuối cùng, nước có nhiệt độ thấp lại được bơm vào động cơ, tạo thành chu trình làm mát tuần hoàn.
Bơm nước đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp lưu lượng nước với áp suất ổn định để làm mát động cơ Trong các động cơ đốt trong hiện nay, bơm nước kiểu ly tâm là lựa chọn phổ biến nhất nhờ vào thiết kế đơn giản, độ bền cao và giá thành hợp lý Mặc dù còn có bơm piston và bơm bánh răng, nhưng chúng ít được sử dụng hơn trong hệ thống làm mát bằng nước kiểu tuần hoàn cưỡng bức.
Hình 2.17: Bơm nước kiểu ly tâm
Bơm nước được chế tạo từ gang hoặc hợp kim nhôm, được lắp đặt ở phía trước thân máy và được điều khiển bởi đai răng hoặc đai thang từ trục khuỷu của động cơ.
Khi động cơ hoạt động, trục bơm quay trong vỏ bơm khiến các bánh công tác cũng quay theo Nước từ dưới két được đưa vào giữa cánh bơm, nhờ lực ly tâm, nước được đẩy từ bên trong cánh ra ngoài, tạo ra áp lực để đẩy nước trong hệ thống.
Hình 2.18: Két nước làm mát
Hai nước có khả năng chứa nước và truyền nhiệt từ nước ra không khí, giúp giảm nhiệt độ của nước Điều này cung cấp nước có nhiệt độ thấp, từ đó làm mát cho động cơ hiệu quả.
Nắp két nước nằm ở đỉnh của két, có chức năng kín nước và ngăn không cho nước văng ra ngoài Nó cũng giữ áp suất trong két nước, giúp nâng cao nhiệt độ sôi của nước làm mát lên trên 100 độ C, từ đó tăng cường hiệu quả làm mát mà không cần phải mở rộng kích thước của két.
Nắp két nước được trang bị hai van: một van giảm áp và một van chân không Khi nhiệt độ nước làm mát tăng cao từ 110 – 120 độ C, áp suất trong két nước tăng lên Nếu áp suất ngăn trên vượt quá 1,2 KG/cm², nó sẽ mở van, cho phép không khí và nước thoát ra ngoài qua ống dẫn.
Hệ thống bôi trơn
2.6.1 Nhiệm vụ, yêu cầu. a Nhiệm vụ.
Hệ thống bôi trơn đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp dầu bôi trơn cho các bề mặt ma sát của động cơ, đồng thời lọc sạch tạp chất trong dầu nhờn Nó cũng giúp tẩy rửa các bề mặt ma sát và làm mát dầu, đảm bảo tính năng lý hóa của dầu bôi trơn luôn ổn định.
Đối với chất bôi trơn:
Độ nhớt của dầu phải nằm trong giới hạn cho phép.
Bảo vệ bề mặt kim loại không bị ăn mòn.
Dầu bôi trơn cần phải không tạo cặn trong cacte, két chứa, các chi tiết động và đường ống, đảm bảo tính bôi trơn hiệu quả Đồng thời, dầu cũng phải không hình thành nhũ tương khi có nước lẫn vào và không được tạo bọt.
Dầu phải có tuổi thọ cao và giá thành hợp lý.
Đối với hệ thống bôi trơn:
Hệ thống bôi trơn cần cung cấp chất bôi trơn một cách liên tục và đều đặn, đảm bảo lưu lượng, trạng thái và tính chất được xác định rõ ràng, đồng thời có khả năng kiểm tra, điều chỉnh và điều khiển hiệu quả.
Các thiết bị và bộ phận trong hệ thống bôi trơn cần phải đơn giản, dễ sử dụng và thuận tiện cho việc tháo lắp, kiểm tra, sửa chữa Hệ thống cũng nên có khả năng tự động hóa cao và có mức giá hợp lý.
2.6.2 Các phương án bôi trơn trên động cơ đốt trong.
2.6.2.1 Bôi trơn bằng phương pháp vung toé dầu.
Sơ đồ nguyên lý bôi trơn bằng phương pháp vung té dầu bao gồm ba hình thức: bôi trơn vung té trong động cơ nằm, bôi trơn vung té trong động cơ đứng, và bôi trơn vung té có bơm dầu đơn giản Các thành phần chính của hệ thống này bao gồm bánh lệch tâm và piston bơm dầu.
3 Thân bơm; 4 Cácte; 5 Điểm tựa; 6 Máng dầu phụ.
Nguyên lý làm việc của hệ thống bôi trơn là dầu nhờn trong cacte được múc lên bởi thìa múc dầu gắn trên đầu to thanh truyền Mỗi vòng quay của trục khuỷu sẽ tạo ra một lần hắt dầu Các hạt dầu văng lên trong cacte sẽ rơi xuống bề mặt ma sát của ổ trục Để đảm bảo ổ trục luôn được cung cấp đủ dầu, các vách ngăn trên ổ trục thường được thiết kế với gân hứng dầu.
Ưu điểm: Kết cấu đơn giản.
Nhược điểm: Không đảm bảo lưu lượng dầu bôi trơn của ổ trục.
Hệ thống bôi trơn cưỡng bức có hai loại chính dựa trên vị trí chứa dầu nhờn, bao gồm hệ thống cacte ướt và cacte khô Trong đó, hệ thống bôi trơn cưỡng bức cacte ướt là một trong những phương pháp phổ biến, giúp duy trì hiệu suất và độ bền cho động cơ.
Hệ thống bôi trơn cưỡng bức cácte ướt có đặc điểm nổi bật là dầu được chứa trong cacte và có két dầu riêng để tập trung dầu từ cacte Hệ thống này chỉ sử dụng một bơm để hút dầu từ cacte và bơm đến các vị trí bôi trơn, sau đó dầu sẽ tự rơi trở lại cacte Để bôi trơn bề mặt làm việc của xylanh và pittông, hệ thống tận dụng dầu văng ra từ ổ đầu to của thanh truyền trong quá trình hoạt động Ngoài ra, còn có hệ thống bôi trơn cưỡng bức cacte khô.
Hình 2.23: Hệ thống bôi trơn cưỡng bức cácte khô.
1 Cacte; 2 Bơm chuyển; 3 Thùng dầu; 4 Lưới lọc sơ bộ;
5 Bơm dầu đi bôi trơn; 6 Bầu lọc dầu; 7 Đồng hồ báo áp suất dầu;
8 Đường dầu chính; 9 Đường dầu bôi trơn trục khuỷu;
10 Đường dầu bôi trơn trục cam; 11 Bầu lọc tinh;
12 Đồng hồ báo nhiệt độ dầu; 13 Két làm mát dầu.
Hệ thống bôi trơn cacte khô khác biệt so với cacte ướt ở chỗ sử dụng thêm 1 đến 2 bơm dầu phụ để hút sạch dầu trong cacte về thùng chứa Sau đó, bơm chính sẽ hút dầu từ thùng chứa để thực hiện quá trình bôi trơn.
2.6.3 Lựa chọn phương án bôi trơn trên động cơ thiết kế.
Hệ thống bôi trơn cacte ướt là lựa chọn tối ưu nhờ vào tính gọn nhẹ và chiếm ít không gian, với ít thiết bị hơn so với hệ thống cacte khô Hệ thống này cung cấp đầy đủ dầu bôi trơn về cả số lượng và chất lượng, mang lại độ tin cậy cao trong quá trình hoạt động Tuy nhiên, nhược điểm của nó là khi động cơ hoạt động ở độ nghiêng lớn, dầu có thể dồn về một phía, gây ra tình trạng hẫng phao hút dầu và làm giảm lưu lượng dầu cung cấp Do đó, hệ thống bôi trơn cacte ướt thường được sử dụng cho động cơ ô tô hoạt động trên địa hình tương đối bằng phẳng.
Hình 2.24: Hệ thống bôi trơn cưỡng bức cácte ướt.
1 Cacte dầu; 2 Phao hút dầu; 3 Bơm; 4 Van an toàn bơm dầu; 5.Bầu lọc thô; 6 Van an toàn lọc dầu; 7 Đồng hồ báo áp suất dầu; 8 Đường dầu chính;
9 Đường dầu bôi trơn trục khuỷu; 10 Đường dầu bôi trơn trục cam;
11 Bầu lọc tinh; 12 Két làm mát dầu; 13 Van khống chế lưu lượng dầu qua két làm mát; 14 Đồng hồ báo nhiệt độ dầu; 15 Nắp rót dầu; 16 Que thăm dầu.
Bơm dầu được dẫn động từ trục cam hoặc trục khuỷu, hút dầu từ cacte qua phao hút dầu có lưới chắn để lọc tạp chất lớn Phao này có khớp tùy động, giúp nó luôn nổi trên mặt thoáng, đảm bảo việc hút dầu ngay cả khi động cơ nghiêng Sau khi được bơm, dầu với áp suất cao được chia thành hai nhánh: một nhánh dẫn đến két để làm mát rồi trở về cacte, nhánh còn lại qua bầu lọc thô đến đường dầu chính Từ đường dầu chính, dầu tiếp tục theo các nhánh khác.
Sau khi thực hiện 9 bước bôi trơn trục khuỷu, tiếp theo là bôi trơn đầu to của thanh truyền, chốt piston và theo đường dầu Đường dầu chính cung cấp một lượng dầu khoảng để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho động cơ.
15-20% lưu lượng dầu chính được chuyển đến bầu lọc tinh 11, nơi các tạp chất nhỏ được giữ lại, giúp dầu được lọc sạch Sau khi qua lọc tinh với áp suất nhỏ, dầu sẽ được dẫn về cacte 1.
Van an toàn 4 giúp đẩy dầu về phía trước bơm khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao, đảm bảo áp suất dầu trong hệ thống duy trì ổn định ở mọi mức tốc độ của động cơ.
Khi bầu lọc thô 5 bị tắc, van an toàn 6 sẽ tự động mở để đảm bảo dầu bôi trơn vẫn được cung cấp cho đường ống chính, giúp duy trì lượng dầu đầy đủ cho việc bôi trơn các bề mặt ma sát.
Khi nhiệt độ quá cao (khoảng 80 0 C) do độ nhớt giảm, van khống chế lưu lượng
13 sẽ đóng hoàn toàn dể dầu qua két làm mát rồi trở về cacte. b Một số bộ phận.
Bơm dầu: ặ Bơm bỏnh răng ăn khớp ngoài.
Hệ thống khởi động
2.7.1 Nhiệm vụ, yêu cầu. a Nhiệm vụ.
Hệ thống khởi động có vai trò quan trọng trong việc quay trục khuỷu của động cơ đến một tốc độ nhất định, từ đó cho phép động cơ hoạt động một cách độc lập.
Kết cấu gọn nhẹ, chắc chắn, có tính làm việc ổn định và độ tin cậy cao.
Có thiết bị điều khiển thuận tiện cho người sử dụng.
Khi động cơ đã làm việc, phải cắt được sự truyền động từ thân máy khởi động đến trục khuỷu.
Lực kéo tải trên trục máy cần đủ lớn để đảm bảo hiệu suất hoạt động, đồng thời tốc độ quay phải đạt mức cần thiết để duy trì tốc độ quay ổn định của trục khuỷu.
Việc bảo dưỡng, sửa chữa và thay thế dễ dàng, chi phí thấp.
Momen khởi động phải đủ lớn để đảm bảo khởi động được.
2.7.2 Các phương án khởi động trên động cơ đốt trong.
Từ những cách làm động cơ nổ ta có thể phân loại hệ thống khởi động như sau:
- Hệ thống khởi động bằng tay:
Đặc điểm: Dùng sức người để làm quay trục khuỷu của động cơ (tay quay, giật dây quấn, đạp chân, ).
Ứng dụng: Động cơ cỡ nhỏ như xe máy, xe công nông, máy nông nghiệp
Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, có thể khởi động nhiều lần.
Nhược điểm: Tốn sức người, không an toàn.
- Hệ thống khởi động bằng động cơ điện:
Đặc điểm: Dùng động cơ điện làm quay trục khuỷu của động cơ đốt trong.
Ứng dụng: Động cơ cỡ nhỏ và trung bình kể cả động cơ xăng như xe máy, ô tô
Ưu điểm: Khởi động dễ, không tốn sức người, thời gian khởi động ngắn.
Nhược điểm: Cấu tạo phức tạp, dễ hỏng về phần điện.
- Hệ thống khởi động bằng động cơ phụ:
Đặc điểm: Dùng động cơ xăng 2 kỳ có công suất khoảng 20% công suất của động cơ chính làm quay trục khuỷu của động cơ chính.
Ứng dụng: Động cơ điezen cỡ lớn như máy kéo , máy ủi, máy xúc
Ưu điểm: Khởi động rất chắc chắn, số lần khởi động không hạn chế.
Nhược điểm: Cấu tạo, sử dụng phức tạp, phải bảo dưỡng cả 2 động cơ.
- Hệ thống khởi động bằng khí nén:
Đặc điểm: Đưa khí nén vào các xylanh để làm quay trục khuỷu.
Ứng dụng: Động cơ điezen cỡ trung bình và cỡ lớn.
Ưu điểm: Khởi động chắc chắn.
Nhược điểm: Cấu tạo phức tạp, cồng kềnh, thời gian có thể kéo dài.
Hệ thống khởi động bằng động cơ điện thường sử dụng 4 loại máy khởi động sau:
Máy khởi động loại giảm tốc dùng motor tốc độ cao.
Máy khởi động loại giảm tốc làm tăng mô men xoắn bằng cách giảm tốc độ quay của phần ứng lõi motor nhờ bộ truyền giảm tốc.
Piston của công tắc từ đẩy trực tiếp bánh răng chủ động đặt trên cùng một trục với nó vào ăn khớp với vành răng.
Hình 2.31: Máy khởi động loại đồng trục
Bánh răng bendix được đặt trên cùng một trục với lõi motor ((phần ứng) và quay cùng tốc độ với lõi.
Cần dẫn động được nối với thanh đẩy của công tắc từ đẩy bánh răng chủ động và làm cho nó ăn khớp với vành răng.
- Loại bánh răng hành tinh:
Hình 2.32: Máy khởi động loại bánh răng hành tinh.
Máy khởi động loại bánh răng hành tinh dùng bộ truyền hành tinh để giảm tốc độ quay của lõi (phần ứng) của motor.
Bánh răng bendix ăn khớp với vành răng thông qua cần dẫn động như trường hợp máy khởi động đồng trục.
- Loại motor giảm tốc – rotor thanh dẫn (loại PS).
Máy khởi động loại PS sử dụng các nam châm vĩnh cửu được đặt trong cuộn cảm Cơ cấu ngắt hoạt động của máy khởi động này tương tự như máy khởi động loại bánh răng hành tinh.
2.7.3 Lựa chọn phương án khởi động trên động cơ thiết kế.
Chọn hệ thống khởi động bằng động cơ điện giảm tốc vì đây là loại phổ biến trên ô tô, giúp tăng momen xoắn bằng cách giảm tốc độ quay của phần ứng motor qua bộ truyền giảm tốc, từ đó nâng cao số vòng tua Loại động cơ này còn có ưu điểm về khả năng khởi động dễ dàng, an toàn và sử dụng nguồn một chiều.
Sơ đồ và nguyên lý làm việc:
Hình 2.34: Sơ đồ làm việc của hệ thống khởi động điện.
Hoạt động của máy khởi động phải trải qua 3 giai đoạn để khởi động động cơ:
Khi bật khóa điện ở vị trí START, dòng điện từ ắc quy được cung cấp cho cuộn giữ và cuộn kéo, làm cho cuộn kéo tạo ra chuyển động quay cho phần ứng với tốc độ thấp Sự tạo ra lực điện từ trong các cuộn này khiến piston của công tắc từ bị kéo vào lõi nam châm điện Nhờ vào lực kéo này, bánh răng dẫn động khởi động sẽ dễ dàng ăn khớp với vành răng bánh đà, đồng thời kích hoạt đĩa tiếp xúc để bật công tắc chính.
Khi công tắc chính được bật, cuộn kéo không có dòng điện, trong khi cuộn cảm và cuộn ứng của mô tơ điện nhận điện trực tiếp từ ắc quy Điều này khiến cuộn dây phần ứng quay với tốc độ cao và động cơ khởi động Lúc này, piston được giữ cố định nhờ lực điện từ của cuộn giữ, do không có lực điện từ chạy qua cuộn kéo.
Khi khóa điện được chuyển từ vị trí START sang ON, dòng điện từ công tắc chính đến cuộn giữ qua cuộn kéo Tại vị trí này, lực điện từ của cuộn kéo và cuộn giữ triệt tiêu lẫn nhau, khiến piston không được giữ lại Do đó, piston bị lò xo kéo lại, ngăn không cho bánh răng tiếp xúc với bánh đà, dẫn đến việc công tắc chính bị ngắt và máy khởi động dừng hoạt động.
Công tắc từ đóng vai trò là công tắc chính trong việc điều khiển dòng điện đến mô tơ, giúp khởi động bánh răng dẫn động bằng cách đẩy nó vào vị trí ăn khớp với vành răng khi bắt đầu khởi động và kéo ra sau khi quá trình khởi động hoàn tất.
Cuộn kéo được cuốn bằng dây có đường kính lớn hơn cuộn giữ, dẫn đến lực điện từ của cuộn kéo mạnh hơn lực điện từ của cuộn giữ.
- Phần ứng và ổ bi cầu.
Phần ứng tạo ra lực làm quay mô tơ và ổ bi cầu đỡ cho lõi (phần ứng) quay ở tốc độ cao.
Vỏ máy khởi động tạo ra từ trường cần thiết cho mô tơ hoạt động, đồng thời bảo vệ các cuộn cảm và lõi cực, khép kín các đường sức từ Cuộn cảm được mắc nối tiếp với phần ứng, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
- Chổi than và giá đỡ chổi than.
Chổi than được kết nối với cổ góp của phần ứng thông qua các lò xo, cho phép dòng điện truyền từ cuộn dây đến phần ứng theo một chiều ổn định Được chế tạo từ hỗn hợp đồng và cacbon, chổi than không chỉ dẫn điện tốt mà còn có khả năng chống ăn mòn cao Khi máy khởi động bị ngắt, các lò xo chổi than sẽ nén vào cổ góp, giúp phần ứng dừng lại ngay lập tức.
Bộ truyền giảm tốc chuyển đổi lực quay từ mô tơ tới bánh răng dẫn động khởi động, đồng thời tăng mô men xoắn bằng cách giảm tốc độ của mô tơ Tỷ số giảm tốc của bộ truyền này thường là 1/3 đến 1/4, và nó được trang bị một li hợp khởi động bên trong.
Li hợp khởi động truyền chuyển động quay của mô tơ tới động cơ thông qua bánh răng chủ động khớp động.
Để bảo vệ máy khởi động khỏi hư hỏng do số vòng quay cao khi động cơ đã khởi động, người ta sử dụng li hợp khởi động một chiều với các con lăn.
- Bánh răng khởi động chủ động và then xoắn.
Bánh răng dẫn động khởi động và vành răng truyền lực quay từ máy khởi động tới động cơ thông qua sự ăn khớp an toàn giữa chúng Để dễ dàng ăn khớp, bánh răng dẫn động khởi động được thiết kế với mép vát Quá trình này giúp chuyển đổi lực quay của mô tơ thành lực đẩy cho bánh răng dẫn động, hỗ trợ việc ăn khớp và ngắt sự ăn khớp giữa bánh răng dẫn động và vành răng.
CHỌN THÔNG SỐ VÀ TÍNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH CỦA CHU TRÌNH CÔNG TÁC
Chọn các thông số
1 Công suất cực đại: : Ne.max = 110hp / 6000rpm
2 Moomen xoắn cực đại: Me.max = 144Nm / 4000rpm
3 Số vòng quay trung bình/phút của trục khuỷu:
Vì theo số vòng quay tại công suất cực đại trong động cơ mẫu nên ta chọn n = 6000 vòng/phút.
4 Tốc độ trung bình của piston (CTB): CTB = = 17,16 (m/s)
5 Số xylanh của động cơ i:
Chọn thiết kế động cơ có 4 xylanh thẳng hàng ( I = 4 )
6 Tỷ số giữa hành trình piston và đường kính xylanh: a= = 1.1516
8 Hệ số dư lượng không khí :
Theo động cơ mẫu, hệ thống phun xăng có bộ làm đậm nên giá trị
Theo nhiệt độ trung bình của Việt Nam dao động từ 21 – 27 0 C.
11 Áp suất khí nạp Pk:
Vì động cơ không tăng áp nên ta có áp suất khí nạp bằng áp suất môi trường (áp suất trước khi nạp).
12 Hệ số nạp v và áp suất cuối quá trình nạp Pa:
Vì động cơ mẫu là động cơ 4 kì và sử dụng hệ thống xupap treo nên v = 0,75 ÷ 0,82 Chọn v=0,8
13 Áp suất khí thể cuối quá trình thải cưỡng bức Pr: Động cơ xăng Pr= 0,11 ÷ 0,12 (MPa)
Mở xupap thải quá sớm sẽ làm giảm áp suất Pr nhưng tăng tổn hao công suất của chu trình làm việc Ngược lại, nếu xupap thải mở quá muộn, áp suất Pr sẽ tăng cao Động cơ với số vòng quay lên đến 6000 vòng/phút tạo ra tốc độ dòng khí thải lớn, dẫn đến áp suất cao trong đường ống thải.
14 Nhiệt độ cuối quá trình thải Tr: Động cơ xăng: Tr= 900 ÷ 1100 0 K
Nhiệt độ khí sót Tr phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tỉ số nén, góc đánh lửa, vòng quay trục khuỷu, thành phần hỗn hợp .
15 Độ sấy nóng khí nạp T: Động cơ xăng: T = 10 ÷ 30 0 K
Giá trị T chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm cấu trúc của thiết bị sấy nóng, thiết kế và bố trí của các đường ống nạp và thải, tốc độ quay n, cùng với hệ số dư lượng không khí .
Với động cơ có số vòng quay 6000 vòng/phút, vận tốc dòng khí nạp cao, dẫn đến thời gian tiếp xúc giữa khí nạp và các chi tiết nóng giảm, từ đó làm giảm giá trị T.
16 Chỉ số nén đa biến trung bình n1: Động cơ xăng: n1=1,34 ÷ 1,37
Chỉ số nén đa biến trung bình phụ thuộc vào nhiều yếu tố như số vòng quay, kích thước xylanh, kiểu làm mát động cơ…
Vì động cơ có hệ thống làm mát tương đối tốt, số vòng quay lên đến 6000 vòng/phút khá cao.
17 Hệ số sử dụng nhiệt z: Động cơ xăng: z = 0,85 ÷ 0,92
Vì động cơ có kết cấu đảm bảo chất lượng tạo hỗn hợp tốt, lượng nhiệt truyền cho làm mát ít.
18 Nhiệt trị thấp của nhiên liệu QT: Động cơ xăng: QT = 44.10 3
19 Chỉ số dãn nở đa biến trung bình n2: Động cơ xăng: n2 = 1,23 ÷ 1,27
Vì n2 có quan hệ mật thiết z Nên ở trên chọn giá trị z thấp thì n2 cũng phải chọn thấp.
21 Hệ số điền đầy đồ thị công đ:
Hệ số điền đầy đồ thị công giúp phân biệt giữa đồ thị công chỉ thị lý thuyết và thực tế Đối với động cơ xăng bốn kỳ, hệ số này dao động trong khoảng 0,90 đến 0,96.
Tổng hợp các thông số cho trước và lựa chọn:
Bảng 1: tổng hợp các thông số đã chọn và tìm hiểu được
Khoảng giá trị / Công thức
Lý do chọn giá trị
Mô men xoắn cực đại
Số vòng quay trong một phút của trục khuỷu n rpm 6000 X
Vì theo số vòng quay tại công suất cực đại trong Catologue nên chọn n = 6000 rpm
Vì chọn thiết kế động cơ có 4 xy lanh thẳng hàng
Tốc độ trung bình của piston
Áp suất P MPa 0,103 là áp suất môi trường ĐAĐCĐT- khí nạp trường Pk, được xác định trước khi nạp vào động cơ Đối với động cơ không tăng áp, áp suất môi trường tương đương với áp suất khí nạp P0.
Nhiệt độ khí nạp Tk 298 X
Nhiệt độ môi trường được xác định dựa trên nhiệt độ bình quân hàng năm Do động cơ không tăng áp, nhiệt độ khí nạp sẽ bằng nhiệt độ môi trường, tức là T0 = Tk.
Hàm lượng C trong nhiên liệu
Vì động cơ mẫu là động cơ xăng nên có C = 0,855 ĐAĐCĐT- HVQS [Trang 36]
Hàm lượng H2 trong nhiên liệu
Vì động cơ mẫu là động cơ xăng nên có H2 = 0,145 ĐAĐCĐT- HVQS [Trang 36]
Hàm lượng S trong nhiên liệu
Vì động cơ mẫu là động cơ xăng nên có S = 0 ĐAĐCĐT- HVQS [Trang 36]
Hàm lượng O2 trong nhiên liệu
Vì động cơ mẫu là động cơ xăng nên có O2 = 0 ĐAĐCĐT- HVQS [Trang 36]
Phân tử Kg/K 112 (110 X ĐAĐCĐT- lượng của nhiên liệu mol HVQS
Nhiệt trị của nhiên liệu
Hệ số dư lượng không khí
Vì động cơ mẫu là động cơ xăng có bộ làm đậm. ĐAĐCĐT- HVQS [Trang 26] Áp suất khí thể cuối quá trình thải cưỡng bức
Pr MPa 0,12 (0,11 Áp suất khí thải
Pr thấp quá thì tổn hao công của chu trình công tác tăng nên gây cho động cơ yếu đi.
Nếu áp suất Pr quá cao, xupap sẽ mở muộn dẫn đến việc thải khí không sạch Động cơ mẫu có thể đạt đến 6000rpm, tạo ra vận tốc dòng khí thải lớn, vì vậy việc chọn mức Pr cao là hợp lý.
Tr 1000 (900 Tr) phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tỷ số nén, góc đánh lửa, vòng quay trục khuỷu và thành phần hỗn hợp α Đối với động cơ có tỷ số nén tương đối cao, khí cháy sẽ giãn nở không nhiều, dẫn đến Tr ĐAĐCĐT-HVQS lớn hơn mức trung bình.
Vì động cơ mẫu là động cơ xăng với xupap treo nên ηv có giá trị
Tỷ số ηv, được xác định bởi lượng khí thực tế nạp vào xy lanh so với lượng khí tối đa có thể nạp, ảnh hưởng lớn đến hiệu suất hoạt động của động cơ Để động cơ hoạt động hiệu quả, cần chọn ηv cao, đồng thời chú ý đến độ sấy nóng của khí nạp.
Sự thay đổi nhiệt độ (ΔT) trong quá trình sấy phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cấu trúc thiết bị, cách bố trí các đường ống nạp và thải, số vòng quay của động cơ, và hệ số dư lượng không khí Với động cơ có số vòng quay 6000 vòng/phút, vận tốc dòng khí nạp lớn dẫn đến thời gian tiếp xúc giữa khí nạp và các chi tiết nóng bị giảm.
T có giá trị thấp. ĐAĐCĐT- HVQS [Trang 31]
Hệ số nạp phụ 1,045 (1,02 X ĐAĐCĐT- HVQS [Trang 39]
Chỉ số nén đa biến trung bình n1 là 1,36, tuy nhiên n1 có thể thay đổi tùy thuộc vào nhiều yếu tố như số vòng quay, phụ tải, kích thước xy lanh, kiểu làm má động cơ và mức độ cường hóa động cơ Do động cơ mẫu được làm mát tốt và có số vòng quay cao, nên chúng ta chọn n1 cao hơn mức trung bình.
Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2 1,24 (1,23
Vì n2 có quan hệ mật thiết với ξz nên chọn ξz thấp thì n2 cũng thấp. ĐAĐCĐT- HVQS [Trang 36]
Hệ số sử dụng nhiệt tại điểm z ξz 0,86 (0,85
Vì động cơ có kết cấu đảm bảo chất lượng tạo hỗn hợp tốt, lượng nhiệt truyền cho làm mát ít. ĐAĐCĐT- HVQS [Trang 34]
Hệ số điền đầy đồ thị công đ 0,95 (0,90
Động cơ mẫu là động cơ xăng 4 kỳ, hoạt động hiệu quả phụ thuộc vào nhiều yếu tố như góc đánh lửa sớm, góc phun nhiên liệu, thành phần hỗn hợp, tốc độ quay và góc mở sớm xupap xả Với đặc điểm có tốc độ quay cao, việc lựa chọn các thông số kỹ thuật cần được thực hiện một cách chính xác để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Hệ số kết λ ảnh hưởng đến độ cao của động cơ, giúp duy trì mức độ trung bình, từ đó giảm mài mòn giữa thành xy lanh và xéc măng, góp phần ổn định tuổi thọ của động cơ.
HVQS [Trang 24] Đường kính xy lanh
3.1 Tính toán các qúa trình của công tác:
1) Tính toán quá trình trao đổi khí:
Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta:
Áp suất cuối quá trình nạp pa:
2) tính toán quá trình nén:
Áp suất cuối quá trình nén pc:
Nhiệt độ cuối quá trình nén Tc:
3) Tính toán quá trình cháy:
Tính toán tương quan nhiệt hóa
Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu thể lỏng M0:
Lượng không khí thực tế nạp vào xylanh động cơ ứng với 1kg nhiên liệu Mt:
Lượng hỗn hợp cháy M1 tương ứng với lượng không khí thực tế Mt:
Số mol của sản vật cháy M2:
Vì = 0,87 < 1 nên ta có công thức:
Hệ số thay đổi phân tử lý thuyết 0:
Hệ số thay đổi phân tử thực tế :
Tính toán tương quan nhiệt động (0,7 1)
Nhiệt dung mol đẳng tích trung bình của khí thể tại điểm z:
Tổn thất nhiệt do cháy nhiên liệu không hoàn toàn Q T :
Nhiệt dung mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp công tác ở cuối quá trình nén cvc :
Nhiệt độ cuối quá trình cháy được xác định theo phương trình nhiệt động sau:
Chọn: Tz = 2700 0 K vì động cơ xăng thì Tz = 2400 ÷ 2700 0 K
+ Áp suất cuối quá trình cháy: pz =ppc = 3,112 3,095 = 9,616 (MPa)
4) Tính toán quá trình dãn nở:
Áp suất cuối quá trình dãn nở: pb = 0,3645(MPa)
Nhiệt độ cuối quá trình dãn nở:
5) Kiểm tra kết quả tính toán:
Đối với động cơ mẫu:
Đối với quá trình tính:
Xác định các thông số đánh giá chu trình công tác và sự làm việc của động cơ
3.3.1 Các thông số chỉ thị:
Áp suất chỉ thị trung bình lý thuyết p’i: p’i
Áp suất chỉ thị trung bình t hực tế pi: pi = p’i.đ = 2,323.0.96 = 2,23 (MPa)
Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi: gi = = = 1173,97 (g/KWh)
3.3.2 Các thông số có ích:
Áp suất tổn hao cơ khí trung bình: Động cơ xăng với i1 nên ta có công thức: pcơ = 0,05 + 0,0155CTB = 0,05 + 0,0155.17,16 = 0,31598 (MPa)
Áp suất có ích trung bình: pe = pi – pcơ = 2,23 – 0,31598 = 1,914 (MPa)
Suất tiêu hao nhiên liệu có ích: ge = 1368,26 (g/KWh)
Công suất có ích của động cơ ở số vòng quay tính toán Ne:
Mô men xoắn có ích của động cơ ở số vòng quay tính toán Me:
3.3.3 Xác định các kích thước cơ bản của động cơ:
Thể tích công tác của xylanh:
Theo bảng catoluge của động cơ mẫu ta có: D = 74,5 mm
Theo bảng catoluge của động cơ mẫu ta có: S = 85,8 mm
Tốc độ trung bình của piston:
Tổng hợp kết quả tính toán:
Bảng 2: Tổng hợp kết quả tính toán
Tên thông số Kí hiệu Đơn vị Kết quả Khoảng giá trị / Công thức
Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn
1kg nhiên liệu thể lỏng
Lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ ứng với 1kg nhiên liệu
Lượng hỗn hợp cháy tương ứng với lượng không khí thực tế
Số mol của sản vật cháy M2 Kmol
Hệ số thay đổi 0 1,1015 phân tử lý thuyết
Hệ số thay đổi phân tử thực tế 1,098
Nhiệt dung mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp công tác ở cuối quá trình nén cvc
Nhiệt dung mol đẳng tích trung bình của khí thể tại điểm z cvz
Tổn thất nhiệt do cháy nhiên liệu không hoàn toàn
Nhiệt độ cuối quá trình cháy Tz 2700
Tỷ số tăng áp suất p
(3 p Áp suất cuối quá trình cháy Pz MPa 9,616 (3,5
Pz Áp suất cuối quá trình giãn nở
Pb Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở
Áp suất cuối của quá trình nạp là 0,0855 MPa, trong khi nhiệt độ cuối của quá trình nạp đạt 335,5 Ta Hệ số khí sót γr được xác định là 0,035, với áp suất cuối của quá trình nén là 3,095 MPa.
Nhiệt độ cuối Tc 867,6 (600 quá trình nén Tc = Ta Áp suất chỉ thị trung bình lý thuyết
Pˈi Áp suất chỉ thị trung bình thực tế
Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi g/K
Wh 1173,97 (230 gi Hiệu suất chỉ thị ηi 0,069 (0,25 ηi Áp suất tổn hao cơ khí trung bình
Pcơ MPa 0,31598 Pcơ = 0,05 + 0,0155CTB Áp suất có ích trung bình Pe MPa 1,914 (0,55
Hiệu suất cơ khí ηcơ 0,858 (0,7 ηcơ Suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge g/K
Wh 1368,26 (285 ge Hiệu suất có ích ηe 0,059 (0,20 ηe = ηiηcơ
Công suất có ích của động cơ ở số vòng quay tính toán
Ne KW 118,36 Ne Mô men xoắn có ích của động cơ
Me Nm 188,47 Me Thể tích công tác của xy lanh Vs dm 3 0,309 Vs Đường kính xy lanh D mm 74,5 X