Đặt vấn đề Động cơ đốt trong đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế, là nguồn động lực cho các phương tiện vận tải như ôtô, máy kéo, xe máy, tàu thủy, máy bay và các máy công tác như máy phát điện, bơm nước và lĩnh vực quân sự … Mặt khác động cơ đốt trong đặc biệt là động cơ ôtô là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường, nhất là ở thành phố. Sau khi học môn học ‘‘Động cơ đốt trong’’, chúng em đã vận dụng những kiến thức đã học để làm bài tập lớn‘‘Đồ án Động cơ đốt trong’’. Trong quá trình hoàn thành đồ án môn học chuyên nghành này, bước đầu đã gặp không ít khó khăn bỡ ngỡ nhưng với sự nỗ lực của chính bản thân cùng với sự hướng dẫn và giúp đỡ hết sức tận tình của giảng viên hướng dẫn Phan Quốc Minh, giờ đây sau một thời gian làm việc hết mình, nghiêm túc trong nghiên cứu và tìm hiểu chúng em đã hoàn thành xong bài tập lớn môn học Động cơ 14 Đề số:……. Tuy nhiên do đây là lần đầu tiên chúng em vận dụng lý thuyết đã học, vào hoàn thành đồ án theo đề tài đã chọn, nên gặp rất nhiều khó khăn và không tránh khỏi những sai sót.
Vì vậy em rất mong được sự xem xét, sự giúp đỡ chỉ bảo và đưa ra ý kiến của các thầy để chúng em hoàn thành đồ án một cách tốt nhất, đồng thời cũng qua đó rút ra kinh nghiệm, bài học làm giàu kiến thức chuyên môn và khả năng tự nghiên cứu của mình.4 Giới hạn đề tài - Đề tài được giới hạn trong việc tính toán – thiết kế phần động của động cơ đốt trong trên xe ôtô nói chung và trên Toyota Innova 2010 nói riêng.5 Mục tiêu - Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lí hoạt động phần động của động cơ đốt trong trên ôtô. - Tính toán – thiết kế các chi tiết của phần động động cơ đốt trong.6 Nội dung đề tài - Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lí hoạt động phần động của động cơ đốt trong trên ôtô. - Tính toán – thiết kế các chi tiết của phần động động cơ đốt trong. - Vẽ và thiết kế mô hình mô phỏng các chi tiết.7 Phương thức nghiên cứu 1.
Tìm hiểu các thông tin liên quan. Nghiên cứu lại tài liệu môn học Động cơ đốt trong. Tham khảo mô hình. Sử dụng phầm mềm soạn thảo Word.
Sử dụng phần mềm Solidwork. Xây dựng mô hình bằng chất liệu nhựa.8 Kết cấu đồ án - Nội dung tiểu luận word gồm 4 chương. - Bản vẽ 2D, 3D và mô phỏng chuyển động của phần động động cơ trên Solidwork. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KẾT CẤU PHẦN ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 2.1 Công dụng, điều kiện làm việc, vật liệu chế tạo 2.1 Công dụng của piston Piston cùng với các chi tiết khác như xi lanh, nắp xi lanh bao kín tạo thành buồng đốt, đồng thời truyền lực của khí thể cho thanh truyền cũng như nhận lực của thanh truyền để nén khí.
Ngoài ra ở một số động cơ hai kỳ, piston còn có nhiệm vụ đóng mở các cửa nạp và thải của cơ cấu phối khí.2 Điều kiện làm việc Piston là một chi tiết máy quan trọng của động cơ, làm việc trong điều kiện chịu tải trọng cơ học lớn, chịu nhiệt cao, chịu ma sát và ăn mòn hoá học. Các tải trọng cơ học lên piston: - Áp lực khí thể rất lớn của quá trình cháy – giãn nở. - Lực quán tính tác dụng lên piston rất lớn, nhất là với động cơ tốc độ cao. Tải trọng nhiệt: Piston trực tiếp tiếp xúc với khí cháy có nhiệt độ cao (2300÷28000K).
Nhiệt độ của đỉnh piston thường khoảng 500÷8000K. Nhiệt độ cao của piston có thể gây các tác hại sau đây: - Gây ứng suất nhiệt làm rạn nứt piston. - Gây biến dạng piston, tăng độ ma sát, kẹt piston. - Làm giảm sức bền piston.
- Làm giảm hệ số nạp, ảnh hưởng đến công suất động cơ; - Làm hủy hoại tính chất bôi trơn của dầu nhờn. - Đối với động cơ xăng dễ sinh ra kích nổ. Ma sát lớn và ăn mòn hóa học: Do có lực ngang N (Hình 2.1) nên giữa piston và xi lanh có ma sát lớn. Điều kiện 16 Đề số:…….
bôi trơn tại đây rất khó khăn, thông thường là vung toé nên khó đảm bảo bôi trơn hoàn hảo. Mặt khác, do thường xuyên tiếp xúc với sản vật cháy có các chất ăn mòn như các hơi axít nên piston còn chịu ăn mòn hoá học.1: Lực ngang tác dụng lên piston 2.3 Vật liệu chế tạo: Một số vật liệu thường được dùng để chế tạo piston: - Gang: Thường dùng gang dẻo, gang cầu, gang xám. Gang chỉ dùng để chế tạo piston động cơ có tốc độ thấp. Mặt khác hệ số dẫn nhiệt của gang nhỏ nên nhiệt độ đỉnh piston cao.
- Thép: Có hệ số dẫn nhiệt nhỏ, khó đúc nên hiện nay ít được dùng. - Hợp kim nhôm: Có nhiều ưu điểm như nhẹ; hệ số dẫn nhiệt lớn; hệ số ma sát với so với gang nhỏ; dễ đúc; dễ gia công nên được dùng phổ biến chế tạo piston. Tuy nhiên, piston bằng hợp kim nhôm chịu mòn kém và giá thành cao.2 Kết cấu piston Kết cấu piston gồm ba phần chính: Đỉnh piston, đầu piston và thân piston.2: Kết cấu của Piston 1– Đỉnh piston; 2– Đầu piston; 3– Thân piston; 4– Rãnh lắp xéc măng khí; 5– Rãnh lắp xéc măng dầu; 6– Bệ chốt piston; 7– Chân piston 2.1 Đỉnh piston Đỉnh piston là mặt trên của piston, nó nhận lực cháy khí thể và chịu nhiệt lớn. Đỉnh piston có nhiều dạng khác nhau và đặc điểm cấu tạo của từng dạng đều có tác dụng nhất định.
Piston đỉnh bằng: Đỉnh bằng là loại phổ biến nhất, diện tích chịu nhiệt nhỏ, dễ chế tạo. Nó thường được dùng trong động cơ xăng, diesel có buồng đốt dự bị và xoáy lốc. Piston đỉnh lồi: Đỉnh lồi có sức bền lớn, đỉnh mỏng nhưng diện tích chịu nhiệt lớn, loại đỉnh này thường được dùng trong động cơ xăng 4 kỳ, 2 kỳ xupap treo, buồng đốt chỏm cầu. Piston đỉnh lõm: Đỉnh lõm tạo sự xoáy lốc mạnh trong vùng nén cũng như xoáy.
Tuy nhiên sức bền kém và diện tích chịu nhiệt lớn hơn so với đỉnh bằng. Loại này được dùng trong động cơ xăng, diesel.5: Kết cấu piston kiểu đỉnh lõm Đỉnh piston nhiều dạng khác nhau nhưng phải bảo đảm các yêu cầu cơ bản sau đây: - Đỉnh piston phải có hình dạng phù hợp để hình thành khí hỗn hợp khí cháy tốt nhất (xoáy lốc). - Tỷ số Fc/Vc nhỏ (diện tích buồng đốt so với thể tích buồng đốt). Mục đích giảm tổn thất nhiệt, nâng cao các chỉ tiêu kinh tế của động cơ.
- Phải có góc lượn để dẫn nhiệt tốt. - Đỉnh có hình dạng hợp lý không va chạm vòi phun, xupap, bugi xông.2 Đầu piston Bao gồm đỉnh và phần chứa rãnh xéc măng hơi làm nhiệm vụ bao kín. 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 các yêu cầu sau: - Đầu piston phải đảm bảo tản nhiệt tốt: Trong quá trình làm việc của động cơ, piston truyền phần lớn nhiệt lượng của khí cháy truyền cho nó (70÷80%) qua phần đai xéc măng – xéc măng –xi lanh rồi đến nước hoặc không khí làm mát động cơ.
Vấn đề tản nhiệt nếu không được thực hiện tốt sẽ làm giảm sức bền của piston. Do đó, để tản nhiệt nhanh người ta thường dùng các biện pháp sau đây: + Thiết kế đỉnh piston dày phần chuyển tiếp giữa đỉnh và đầu có bán kính R lớn. + Dùng gân tản nhiệt ở dưới đỉnh piston + Dùng hợp kim nhôm có hệ số dẫn nhiệt cao để giảm nhiệt độ piston. + Tạo ngăn cách nhiệt ở đầu piston để giảm nhiệt lượng truyền cho xéc măng thứ I.
+ Làm mát đỉnh piston bằng cách đưa dầu nhờn vào phía dưới đỉnh piston. - Đầu piston phải đảm bảo bao kín buồng đốt tốt: Việc bao kín không cho khí nén, khí cháy lọt xuống Cacte và không cho dầu nhờn lên buồng đốt là rất quan trọng. Nếu để lọt khí, công suất động cơ giảm và làm hỏng dầu nhờn ở Cacte, còn để dầu nhờn lên buồng đốt, cháy thành muội than vừa hao tốn dầu nhờn, vừa bị mài mòn nhanh đồng thời dễ sinh cháy sớm. Ngày nay biện pháp duy nhất để bao kín là dùng xéc măng.
Ngăn lọt khí là dùng xéc măng hơi (lắp ở phần đầu piston). Ngăn dầu nhờn lên buồng đốt và làm nhiệm vụ bôi trơn dùng xéc măng dầu. Nguyên tắc thì càng nhiều xéc măng bao kín thì càng tốt. Tuy nhiên công ma sát sẽ lớn, mài mòn nhanh vì vậy số lượng xéc măng cần bảo đảm bao kín với mức cần thiết.
Số lượng xéc măng phụ thuộc vào các yếu tố sau: + Áp suất khí thể: áp suất thể khí càng cao, càng nên bố trí nhiều xéc măng. + Tốc độ piston: tốc độ piston càng thấp, càng nên bố trí nhiều xéc măng. + Đường kính piston: đường kính piston càng lớn, càng nên bố trí nhiều xéc măng.1: Kinh nghiệm thiết kế xéc măng đối với từng loại động cơ Số lượng xéc măng (chiếc) Loại xéc măng Động cơ diesel Động cơ xăng Tốc độ cao Tốc độ thấp Xéc măng khí 3÷4 3÷6 5÷7 Xéc măng dầu 1÷2 1÷3 1÷4 Xéc măng đặt trong rãnh piston phải có 1 khe hở nhất định. Nếu khe hở bé quá thì dễ bị bó kẹt.
Ngược lại nếu khe quá lớn thì sinh ra va đập. Khe hở chọn theo kinh nghiệm: - Xéc măng khí thứ nhất: Δ= (1/20÷1/40)h - Xéc măng khí khác: Δ = (1/50÷1/90)h - Xéc măng dầu : Δ = (1/50÷1/120)h Trong đó: Δ - Khe hở rãnh piston và xéc măng. h - Chiều cao của xéc măng. Rãnh xéc măng thường khoét sâu hơn chiều dày xéc măng chừng 0,5÷1,5mm.
Đôi khi người ta cũng dùng đai xéc măng thép, trong các piston hợp kim nhẹ, vật liệu mềm vì hệ số giãn nở các đai này lớn, dễ sinh va đập. Đai thép khắc phục được nhược điểm trên. - Đầu piston phải đảm bảo đủ bền: Để tăng sức bền và độ cứng vững cho bệ đỡ chốt piston người ta thiết kế các gân trợ lực.6: Kết cấu bệ chốt piston 2.3 Thân piston Là phần còn lại của piston làm nhiệm vụ dẫn hướng và chịu lực ngang N. Bởi vậy trong kết cấu cần lưu ý các vấn đề sau: Chiều dài piston của thân piston: Chiều dài piston của thân thường do lực ngang quyết định.
Lực ngang N lớn, thân piston cần dài. Đối với động cơ hai kỳ, phải đảm bảo đủ dài để khi piston lên đến ĐCT nó vẫn đóng kín đường thải và đường quét.