NGUYÊN lý làm VIỆC của ĐỘNG cơ đốt TRONG

ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONGCơ cấu khuỷu trục thanh truyền Thân máy và lắp xylanh... Lực và mô men tác động lên cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền động cơ 1 xy lanhLực và mô men tác động lên cơ cấu t

NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

1 Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt

ĐỘNG CƠ NHIỆT

OTHER

2 Lịch sử phát triển

3 Phân loại động cơ đốt trong:

 Theo loại nhiên liệu: xăng và diesel

 Theo cách thức đốt nhiên liệu: cưỡng bức (xăng) và tự cháy (diesel)

 Theo số xylanh: 1 xylanh hoặc nhiều xylanh

 Theo cách bố trí xylanh: thẳng hàng, chữ V, hình sao.

 Theo cách chuyển động của piston: tịnh tiến hoặc quay

 Theo điều kiện nạp: tăng áp hoặc không tăng áp

 Theo cách làm mát: bằng nước hoặc bằng không khí

 Theo tốc độ: thấp tốc, tốc độ trung bình, cao tốc

Động cơ đốt trong được sử dụng rất rộng rãi, đặc biệt là trong lĩnh vực ô tô, tàu thủy, xe máy, máy nông nghiệp, máy phát điện

Động cơ Đốt trong Máy hơi nước Tuabin hơi Tuabin khí

 Khó khởi động khi có tải

 Công suất cực đại không cao

 Kén nhiên liệu

 Ô nhiễm môi trường: phát thải độc hại, ồn

Chương 1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

1.1 Nhiên liệu sử dụng trong ĐCĐT

Hiện nay nhiên liệu chủ yếu là: xăng và dầu diesel

* Hỗn hợp xăng và không khí đốt cháy cưỡng bức bằng tia lửa điện.

* Hiện tượng cháy bất thường: “ Kích nổ”

b Đánh giá tính chống kích nổ của nhiên liệu xăng

Tỷ lệ % Isooctan trong hỗn hợp so sánh chính là chỉ số O của xăng

* Mối quan hệ giữa Xe và O: O =120 - Xe

1.3 Hệ số dư lượng không khí

 Hệ số dư lượng không khí λ (lamđa): đặc trưng cho mức độ đậm nhạt của hỗn hợp không khí và nhiên liệu

Trong đó:

L0 = (kg/kg nhiªn liÖu) (tham khảo tài liệu)

* Thông thường:

 Động cơ xăng: λ lân cận 1

 Động cơ diesel: λ thường lớn hơn 1

4 5

6

§ CT

§ CD

* Điểm chết

 Vị trí mà tại đó piston đổi chiều chuyển động

điểm chết dưới (ĐCD)

* Kỳ

 Theo số kỳ người ta phân loại động cơ: 2 kỳ và động cơ 4 kỳ

- Động cơ 2 kỳ: 1 chu trình = 2 hành trình piston = 1 vòng quay trục khuỷu

- Động cơ 4 kỳ: 1 chu trình = 4 hành trình piston = 2 vòng quay của trục khuỷu

1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ 4 kỳ không tăng áp

1 chu trình công tác gồm 4 quá trình (kỳ) “gần tương ứng “ với 4 hành trình dịch chuyển

- Piston chuyển động từ ĐCT đến ĐCD

- Khí nạp mới: không khí (đ/c diesel) hay hỗn hợp không khí + xăng (đ/c xăng)

- Góc mở sớm xupap nạp φ1, góc đóng muộn xupap nạp φ2

tt lt

tt

V

G G

G

ρ

ηv = =

- Piston chuyển động từ ĐCD đến ĐCT.

- Quá trình đa biến với hệ số nén đa biến n1

- Nhiệt độ và áp suất tại điểm c (ch a cháy)

3 Quá trình cháy và giãn nở

+ Quá trình cháy:

(diễn ra trong tg rất ngắn)

- Bản chất: là quá trình oxy hóa nhiên liệu

- Thời gian cháy trễ:

Động cơ diesel xem nh quá trình cấp nhiệt hỗn hợp

Động cơ xăng xem nh quá trình cấp nhiệt đẳng tích

- Giai đoạn cháy rớt: cháy trên đ ờng giãn nở

+ Quá trình giãn nở:

- Khí cháy giãn nở sinh công

- Piston dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD

ĐCT

ĐCD

- Đ ợc coi nh quá trình đa biến với chỉ số giãn nở đa biến n2

- Piston chuyển động từ ĐCD đến ĐCT

- Xupap thải mở sớm góc φ3 để thải tự đo

- Xupap thải đóng muộn góc φ4 để thải sạch hơn

- Góc φ1 + φ4 : góc trùng điệp

4 Quá trình thải

ĐCT

ĐCD

ĐỒ THỊ CÔNG VÀ ĐỒ THỊ PHA ĐỘNG CƠ 4 KỲ KHÔNG TĂNG ÁP

MÔ HÌNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ 4 KỲ

1 Quá trình nạp

2 Quá trình nén

3 Quá trình cháy và giãn nở

4 Quá trình thải

ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Cơ cấu khuỷu

trục thanh truyền

Thân máy và lắp xylanh

2.1.1 Qui luật vận động của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền

Sơ đồ của cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền

2.1 ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CƠ CẤU TRỤC KHUỶU – THANH TRUYỀN

a Chuyển vị của piston

2.1.2 Lực và mô men tác động lên cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền động cơ 1 xy lanh

Lực và mô men tác động lên cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền

Với mnp : khối lượng nhóm piston (xem tài liệu)

Pj1 = -mnp Rω2cosϕ vµ - lực quán tính tịnh tiến cấp 1

Pj2 = -mnp Rω2λcos2ϕ - lực quán tính tịnh tiến cấp 2

* Pt : lực tổng hợp

 Độ lớn: Pt = Pkt + Pj

* Ptt được phân tích thành 2 thành phần:

 Lực tiếp tuyến T sinh ra mô men quay

 Lực pháp tuyến Z gây uốn trục khuỷu

* Mô men quay M:

 Lực tác dụng dọc tâm thanh truyền: Ptt = P1/cosβ

 Lực ngang ép piston lên thành xy lanh: N = P1tgβ

2.1.3 Lực và mô men tác động lên cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền động cơ 1 hàng xy lanh

 Lực và mô men tác động lên cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền của một xylanh

 Thứ tự làm việc đã cho

⇒Ta hoàn toàn có thể xác định lực và mô men gây ra ở các xylanh khác trên cơ sở xác định các góc lệch pha

giữa chúng

Đối với động cơ có z xylanh: M = ∑TiR (với i = 1 ÷ z)

Lấy ví dụ cho động cơ 4 xylanh, 4 kỳ, thứ tự làm việc 1 – 3 – 4 – 2

ϕ2 = ϕ1 + 180o

ϕ3 = ϕ1 + 540o

ϕ4 = ϕ1 + 360o

multiCylinder[1].swf

2.1 PISTON

2.1.1 Vai trò:

- Tạo thành buồng cháy

- Truyền lực khí thể đến trục khuỷu và nhận lực từ trục khuỷu

- Đóng mở cửa nạp, cửa thài (đối với động cơ 2 kỳ)

2.1 PISTON

 Tải trọng cơ học lớn và thay đổi có chu kỳ:

 Áp lực khí thể rất lớn

 Lực quán tính rất lớn

* Các lực này thay đổi có chu kỳ

 Chịu tác dụng của tải trọng nhiệt cao:

 Nhiệt độ của khí cháy rất cao

 Ma sát lớn:

 Điều kiện bôi trơn khó khăn

 Ăn mòn hóa học:

 Piston tiếp xúc với sản vật cháy, trong đó có nhiều chất ăn mòn như hơi axit nên piston bị mòn, đặc biệt là đỉnh piston

2.1.2 Điều kiện làm việc:

2.1 PISTON

 Hệ số giãn dài lớn nên dễ bị bó kẹt

 Ở nhiệt độ cao sức bền giảm nhanh

2.1.3.Vật liệu chế tạo

Kết luận:

Với những ưu điểm vượt trội như trên, hiện nay hợp kim nhôm được sử dụng rất phổ biến Để khắc phục những nhược điểm của nó, hiện nay có một số

biện pháp như: pha thêm một số nguyên tố có tác dụng giảm hệ số giãn nở dài, tăng sức bền, Ngoài ra còn một số các biện pháp về mặt kết cấu chúng ta

sẽ tìm hiểu trong phần sau

Xm dầu

Chốt piston

Vòng hãmThân

2.1.4 Kết cấu piston

* Đỉnh bằng * Đỉnh lõm

a) Đỉnh piston:

- Diện tích chịu nhiệt nhỏ

- Kết cấu đơn giản

- Diện tích chịu nhiệt lớn hơn

b) Buång ch¸y omega

c) Buång ch¸y denta

d) Buång ch¸y Man

* Đỉnh chứa buồng cháy:

- Hình dạng đỉnh phải phù hợp với buồng cháy và hướng của tia phun nhiên liệu

- Tận dụng được xoáy lốc của dòng khí

b) Đầu piston: yêu cầu: bao kín, tản nhiệt và sức bền lớn

+ Bao kín:

- Ngăn lọt khí từ buồng cháy xuống cate và ngăn sục dầu từ cate lên buồng cháy

- Bao kín bằng xéc măng: có 2 loại: xộc măng khí và xéc măng dầu

c)

+ Tản nhiệt: yêu cầu đầu piston phải có kết cấu sao cho quá trình tản nhiệt tốt nhất.

- Để tản nhiệt tốt thường dùng các kết cấu sau:

d)

+ Sức bền lớn:

Để tăng độ cứng vững cho đầu piston và bệ chốt thì người ta làm thêm các gân trợ lực

 NhiÖm vô: dÉn h íng cho piston

c) Thân piston

* Do ¶nh h ëng cña nhiÒu yÕu tè nh :

Hệ quả: Piston th êng bÞ bã kÑt trong xylanh theo ph ¬ng t©m chèt

Cỏc biện phỏp chống bú kẹt piston

=> Các biện pháp kết cấu để khắc phục hiện t ợng này:

Đây là một kết cấu chân piston điển hình.

- Vành đai có nhiệm vụ tăng độ cứng vững

- Mặt trụ a và mặt đầu: chuẩn công nghệ

- Mặt trụ a là nơi điều chỉnh trọng l ợng piston Độ lệch khối l ợng giữa các xy lanh: 0,2-0,6%(đ/c ô tô máy kéo)

và1-1,5%(đ/c tàu thủy)

c) Chõn piston

 Tải trọng cơ học lớn, nhất là xéc măng đầu tiên.

 Áp suất của khí cháy rất lớn (như đã trình bày ở phần điều

kiện làm việc của piston)

 Lực quán tính lớn, có chu kỳ và va đập

 Tải trọng nhiệt cao

 Ma sát lớn

b Điều kiện làm việc

 Ứng suất uốn ban đầu khi lắp ráp xécmăng vào rãnh ở piston

* Xéc măng dầu

* Hiện tượng "bơm" dầu lên buồng cháy

* Kết quả: dầu sẽ bị cháy, kết muội và tiêu hao nhiều dầu bôi trơn

 Ngăn dầu sục lên buồng cháy

 Dàn đều dầu lên mặt xylanh

Hiện tượng bơm dầu lên buồng cháy của xéc măng khí

2.2.4 Thanh truyền

a Vai trò: Là chi tiết nối giữa piston và trục khuỷu hoặc guốc trượt

 Thanh truyền chịu tác dụng của các lực sau:

 Lực khí thể

 Lực quán tính của nhóm piston và lực quán tính của bản thân thanh truyền

* Các lực trên đều là các lực tuần hoàn, va đập

 Đối với động cơ tĩnh tại và động cơ tàu thuỷ tốc độ thấp: thép ít cácbon hoặc

thép cácbon trung bình như 30, 35, 45

 Đối với động cơ ô tô máy kéo và động cơ tàu thuỷ cao tốc: thép cácbon trung

bình như 40, 45 hoặc thép hợp kim crôm, niken

 Còn đối với động cơ cao tốc và cường hoá như động cơ ô tô du lịch, xe đua :

dùng thép hợp kim đặc biệt có nhiều thành phần hợp kim như mănggan, niken,

vônphram

b Điều kiện làm việc

c Vật liệu chế tạo

d KÕt cÊu thanh truyÒn

®Çu

to

KÕt cÊu ®Çu nhá thanh truyÒn

* Đầu nhỏ: Tùy theo cách lắp chốt piston với đầu nhỏ thanh truyền mà đầu nhỏ có kết cấu khác nhau.

 Chốt piston lắp tự do với thanh truyền

 Chốt piston cố định trên đầu nhỏ thanh truyền

* Có 2 cách lắp:

* Th©n thanh truyÒn

 Các dạng tiết diện:

 Tiết diện tròn:

 Có dạng đơn giản, có thể tạo phôi bằng rèn tự do

 Loại này không tận dụng vật liệu theo quan điểm sức bền đều

 Thường được dùng trong động cơ tàu thuỷ

 Loại tiết diện chữ I:

 Được dùng rất phổ biến, từ động cơ cỡ nhỏ đến động cơ cỡ lớn

 Loại tiết diện hình chữ nhật, ô van:

 Có ưu điểm là dễ chế tạo, thường được dùng ở động cơ mô tô, xuồng máy cỡ nhỏ

 Tiết diện thân thanh truyền thường thay đổi từ nhỏ đến lớn kể từ đầu nhỏ đến đầu to

* Đầu to thanh truyền

Kết cấu cố định bạc lót trên đầu to thanh truyền bằng l ỡi gà

 Đầu to thanh truyền thường được cắt làm hai nửa

và lắp ghộp với nhau bằng bulụng hay vớt cấy

 Bạc lút cũng phải được chia làm hai nửa và phải

được cố định trong lỗ đầu to thanh truyền

 Để bạc lút khụng bị xoay: kết cấu lưỡi gà

vấu l ỡ i gà định vị

bạc lót

* C¸c d¹ng kÕt cÊu ®Çu to thanh truyÒn

A-A

δ

( Tham kh¶o tµi liÖu)

KÕt cÊu bu l«ng vµ gu gi«ng thanh truyÒn

 Là chi tiết rất quan trọng và chiếm tỷ trọng khá lớn, có thể đến 25-30% giá thành

động cơ

 Nhận lực tác dụng từ piston tạo mô men quay để kéo các máy công tác

 Nhận năng lượng của bánh đà để truyền cho thanh truyền và piston để

thực hiện quá trình nén cũng như trao đổi khí trong xylanh

2.2.6 Chi tiÕt trôc khuûu

a Vai trò

 Chịu tác dụng của lực khí thể và lực quán tính của nhóm piston- thanh truyền gây ra (T, Z)

 Chịu tác dụng của lực quán tính ly tâm của các khối lượng quay lệch tâm của bản thân trục khuỷu và của thanh truyền

b Điều kiện làm việc

c Vật liệu và phương pháp chế tạo

 Thép:

 Gang gra-phit cầu

* Những lực này đều có tính chu kỳ, gây uốn, xoắn, dao động xoắn và dao động

ngang trên các ổ đỡ

* Trục khuỷu ghép và trục khuỷu nguyên:

Trôc khuûu ghÐp

Trôc khuûu nguyªn

d Kết cấu

a Trục khuỷu đủ cổ trục

* Đầu trục khuỷu *Chốt khuỷu

k

PP®t

* Đuôi trục khuỷu

dÇu b«i tr¬n

 Giữ cho độ không đồng đều của động cơ nằm trong giới hạn cho

phép

 Là nơi lắp các chi tiết của cơ cấu khởi động như vành răng khởi động

 Là nơi đánh dấu tương ứng với điểm chết và khắc vạch chia độ góc

quay trục khuỷu

2.2.7 Bánh đà

a Vai trò

b Vật liệu chế tạo

 Động cơ tốc độ cao thường dùng thép ít cácbon

 Động cơ có thể chia làm 5 phần, và được lắp với nhau bằng bu

lông hoặc gu giông

o Nắp che 1: chắn bụi và ngăn không cho dầu bôi trơn vung ra

ngoài

o Nắp xylanh 2 cùng với xylanh và piston tạo thành buồng cháy

o Máng dầu 6 là nơi chứa và hứng dầu bôi trơn

o Thân xy lanh 3, hộp trục khuỷu 4 và đế máy 5 tạo thành thân

 Thân máy cùng với nắp xylanh là nơi lắp đặt và bố trí hầu hết

các cụm các chi tiết của động cơ:

Bơn nhiên liệu, bơm dầu , bơm nước, quạt gió

3.1 Thân máy

3.1.1 Vai trò

Gang đúc, hợp kim nhôm , đuyara hoặc thép tấm dùng kết cấu hàn (với đc cỡ lớn)

3.1.2 Vật liệu

 Thân máy và xylanh đúc liền (a).

 Xylanh làm riêng thành ống lót rồi lắp vào thân máy (b)

* Khoảng không gian bao quanh xylanh để chứa nước làm mát: gọi là áo nước

Khi thân xy lanh đúc liền với hộp trục khuỷu thì thân máy là loại thân xy lanh- hộp trục khuỷu Hộp trục khuỷu có thể chia thành hai nửa (hình 3-1)

với ổ trục khuỷu là ổ trượt hoặc làm liền (hình 3-2, c), khi đó ổ trục phải dùng ổ bi

Thân máy của động cơ làm mát bằng gió th ờng là thân máy rời, hình 3-4 Về mặt nguyên tắc có thể dùng gu giông

riêng rẽ (hình 3-4,a) hay một gu giông để ghép nắp và thân xy lanh với hộp trục khuỷu (hình 3-4,b) Xy lanh có thể làm liền với thân hoặc làm dời ở dạng ống lót rồi lắp vào thân

Hình 3.4 Thân máy của động cơ làm mát bằng gió

4 5

* Ph ơng pháp lắp đặt trục khuỷu trong hộp trục khuỷu

Hình 3-5: Các kiểu lắp đặt trục khuỷu

a): trục khuỷu treo, b): trục khuỷu đặt, c): trục khuỷu luồn

c)

* Lãt xy lanh: chia ra thµnh 2 lo¹i

 Cùng với piston và xylanh tạo thành buồng cháy.

 Là nơi để lắp nhiều bộ phận của động cơ như: xylanh như bu

gi, vòi phun, cụm xupáp, cơ cấu giảm áp hỗ trợ khởi động ,…

 Ngoài ra , trên nắp máy còn bố trí các đường nạp, đường thải,

đường nước làm mát, đường dầu bôi trơn

3.2 Nắp xylanh (nắp máy)

3.2.1 Vai trò

Điều kiện làm việc của nắp máy rất khắc nghiệt:

 Nhiệt độ rất cao

 Áp suất khí thể rất lớn

 Ăn mòn do các hợp chất hoá học trong sản phẩm cháy

3.2.2 Điều kiện làm việc:

Tùy theo điều kiện làm mát mà vật liệu chế tạo nắp máy khác nhau:

 Nắp máy động cơ diesel làm mát bằng nước: gang hợp kim, dùng khuôn cát

 Nắp máy động cơ diesel làm mát bằng gió: hợp kim nhôm, đúc hoặc rèn dập

 Nắp máy động cơ xăng: hợp kim nhôm (nhẹ, tản nhiệt tốt, giảm được khả năng kích nổ) Tuy nhiên, sức bền cơ và nhiệt thấp hơn so với nắp

máy bằng gang

3.2.3 Vật liệu:

Nói chung nắp xylanh là một chi tiết rất phức tạp nên kết cấu rất đa dạng Tuy nhiên, tuỳ theo loại động cơ, nắp xy lanh có một số đặc điểm riêng.

1: đường thải (hoặc nạp) 2: khoang nước làm mát 3: lỗ thông nước lên nắp máy 4: lỗ gugiông

5: khoang lắp đũa đẩy 6: khoang lắp bu gi 7: buồng cháy.

3.2.4 Kết cấu

1 2

3 4 5

6

7

Nắp xylanh động cơ xăng và diesel

Nắp xy lanh động cơ diesel so với nắp xylanh của động cơ xăng nói chung phức tạp hơn Trên nắp xylanh phải bố trí các đường nạp, thải, cụm xu páp của cơ cấu phối khí xu páp treo và ngoài ra còn rất nhiều chi tiết như vòi phun, buồng cháy, van khí nén, van giảm áp, bu gi sấy

4.1 Yêu cầu và phân loại

cöa n¹p vµ th¶i

C¬ cÊu phèi khÝ dïng cam-xu p¸p,

- Toàn bộ cơ cấu phối khí đ ợc bố trí ở thân máy, chiều cao động cơ không lớn Số chi tiết của cơ cấu ít nên lực quán tính của cơ cấu nhỏ, bề mặt cam và con đội ít bị mòn.

- Khó bố trí cho buồng cháy gọn để có tỷ số nén cao, mặc dù bố trí xu páp nghiêng so với đ ờng tâm xy lanh

- Vì buồng cháy không gọn nên dễ gõy ra kích nổ

- Do dòng khí nạp và thải phải ngoặt khi l u động nên hệ số nạp không cao

Cơ cấu phối xu páp đặt

Chỉ đ ợc dùng trong một số

động cơ xăng

a)

5 4

3 4 5 7

2 6 1

Khí nạp Khí nạp

Cơ cấu phối khí xu páp treo có nhiều chi tiết hơn và đ ợc bố trí cả

ở thân máy và nắp xy lanh làm tăng chiều cao của động cơ Lực

quán tính của các chi tiết của các chi tiết tác dụng lên bề mặt cam

và con đội lớn hơn Nắp máy của động cơ phức tạp hơn nên khó

khăn hơn khi chế tạo Tuy nhiên, do xu páp đ ợc bố trí trong phần

không gian của xy lanh ở dạng treo nên buồng cháy rất gọn Đây là

điều kiện tiên quyết để có tỷ số nén cao và giảm khả năng kích

nổ đối với động cơ xăng Mặt khác, các dòng khí khi l u động ít

bị ngoặt nên tổn thất nhỏ tạo điều kiện thải sạch và nạp đầy

hơn Vì những u điểm trên nên cơ cấu phối khí xu páp treo rất

phổ biến cho cả cho động cơ xăng và động cơ diesel

Cơ cấu phối khí xu páp treo

a)

5 4

3 2 6

1

b) 9 8

3 4 5

7

2 6

1

Khí nạp Khí nạp

4.2 Bố trí xu páp và dẫn động cơ cấu phối khí

4.2.1 Số xu páp

Thông th ờng mỗi xy lanh có 1 xu páp nạp và 1 xu páp thải Đ ờng kính nấm xu páp nạp th ờng lớn hơn đ ờng kính xu páp thải

để u tiên nạp đầy cho động cơ

Để tăng tiết diện thông qua cho các dòng khí nạp và thải, nhất là

đối với động cơ có đ ờng kính xy lanh lớn, số xu páp có thể là 3

(2 nạp và 1 thải) hoặc 4 (2 nạp và 2 thải) Hiện nay, ngay cả ở

động cơ có đ ờng kính xy lanh nhỏ nh động cơ ô tô du lịch ng ời

ta cũng thiết kế 4 xu páp cho 1 xy lanh Ngoài việc tăng tiết diện

thông qua cho dòng khí l u động, ng ời ta còn tạo ra đ ợc chuyển

động xoáy do đóng mở các xu páp cùng tên trong xy lanh lệch

nhau, do đó hoàn thiện quá trình hình thành khí hỗn hợp và

cháy để cải thiện tính năng làm việc của động cơ Hiện nay đã

có một số động cơ ô tô dùng 5 xu páp cho một xy lanh, trong đó

3 nạp và 2 thải