LỜI NÓI ĐẦU

MỤC LỤC

1


CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ, YÊU CẦU VÀ
PHÂN LOẠI HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ
1.1. Điều kiện làm việc và yêu cầu
1.1.1. Điều kiện làm việc
-

Trong quá trình làm việc mặt nấm xupap chịu tải động và phụ tải nhiệt rất lớn.
Lực khí thể tác động lên diện tích mặt nấm xupap có thể lên đến 20.000 N
,trong động cơ cường hóa và tăng áp thì lực này có thể tăng đến 30.000 N

-

Mặt nấm xupap luôn va đập mạnh với đế xupap nên rất dể biến dạng.
-

Do xupap trục tiếp tiếp xúc với khí cháy nên phải chịu nhiệt độ rất cao. Nhiệt
độ của xupap thải trong động cơ Diesel là 500 – 600 0C. Nhất là trong kỳ thải,
nấm và thân xupap phải tiếp xúc với dòng khí thải có nhiệt độ khoảng 700 –
900 0C

-

Với tốc độ dòng thải lớn, mới bắt đầu có thể đạt vận tốc 400 – 600 m/s nên dễ
khiến xupap xả trở nên quá nóng và bị dòng khí ăn mòn.

-

Trong nhiên liệu có lưu huỳnh nên khi cháy tạo ra axit ăn mòn mặt nấm xupap

-

Chịu lực va đậpthay đổi liên tục, có tần số lớn: cò mổ, đuôi xupap, lò xo xupap
-

Chịu mài mòn do ma sát: cam, con đội, bề mặt tiếp xúc nấm xupap và đế
xupap, cò mổ,....

-

Chịu nén: đũa đẩy, lò xo, thân xupap.

-

Chịu ứng suất xoắn: lò xo.

-

Chịu uốn: đũa đẩy, trục cam,cò mổ.

-

Gây giãn nở và biến dạng cho cò mổ, xupap, lò xo.

1.1.2. Yêu cầu

 Yêu cầu vật liệu
-

Vật liệu chế tạo phải chịu được nhiệt độ cao.

-

Hệ số dẫn nhiệt lớn,hệ số giản nỡ do nhiệt nhỏ.
-

Vật liệu phải chịu được ứng suất, độ cứng vững tốt đủ bền ,chịu va đập tránh
phá hủy vật liệu.

-

Chịu mài mòn do ma sát, chịu uốn ,chịu kéo ,chịu nén , chịu xoắn.
2


 Yêu cầu cơ cấu
-

Đảm bảo thải sạch và nạp đầy.

-

Các xupap phải đóng mở phải đúng thời điểm quy định.

-


Độ mở lớn để dòng khí dễ lưu thông.

-

Các xupap phải kín khít, tránh để lọt khí trong quá trình nén và giãn nở.
-

Hệ thống phải làm việc êm dịu, tin cậy công chi phí thấp, tuổi thọ chi tiết cao
khi cháy tạo ra axit ăn mòn mặt nấm xupap.

-

Chịu lực va đập thay đổi liên tục, có tần số lớn: cò mổ, đuôi xupap, lò xo xupap
-

Chịu mài mòn do ma sát: cam, con đội, bề mặt tiếp xúc nấm xupap và đế
xupap, cò mổ,...

-

Chịu nén: đũa đẩy, lò xo, thân xupap.

-

Chịu ứng suất xoắn: lò xo.

-

Chịu uốn: đũa đẩy, trục cam,cò mổ.


-

Gây giãn nở và biến dạng cho cò mổ, xupap, lò xo.

 Yêu cầu chung
-

Đảm bảo thải sạch và nạp đầy môi chất công tác mới, muốn vậy xupap cần mở
sớm và đóng muộn tùy theo kết cấu của từng loại động cơ.

-

Đảm bảo đóng mở đúng thời gian qui định ( theo góc phân phối khí phối khí)

-

Độ mở lớn để dòng khí dễ lưu thông.
-

Đảm bảo đóng kín buồng cháy của động cơ trong các kỳ nén, nổ và xupap thải
không mở trong quá trình nạp.

-

Dễ hiệu chỉnh và sửa chữa, giá thành chế tạo rẻ.

-

Trong quá trình làm việc, xupap phải chịu được nhiệt độ cao (khoảng 1100-1200
0


C).

-

Giá thành hợp lí.

-

Dễ bảo trì, sửa chữa.

-

Dễ dàng thay thế phụ tùng khi hư hỏng.

-

Tuổi thọ chi tiết cao.
3


-

Làm việc êm dịu, ít phát ra tiếng ồn.

1.2. Phân loại hệ thống

Cơ cấu phân
phối khí
Cơ cấu phân

phối khí dùng
xupap đặt

Cơ cấu phân
phối khí dùng
xupap treo

Cơ cấu phân
phối khí sử
dụng van trượt

1.2.1. Cơ cấu phân phối khí dùng xupap đặt
-

Mỗi xupap được dẫn động bằng một cam, con đội, lò xo xupap.

Hình 1.1. Cơ cấu phân phối khí dùng xupap đặt
4


 Ưu điểm:
-

Chiều cao động cơ giảm, kết cấu xylanh đơn giản, dẫn động xupap
thuận tiện.

 Nhược điểm:
-

Buồng cháy không gọn làm cho tỉ số nén thấp, diện tích làm mát lớn dẫn

đến tổn thất nhiệt nhiều.

1.2.2. Cơ cấu phân phối khí dùng xupap treo
- Xupap đóng mở được dẫn động bằng một cam, con đội, đủa đẩy, cò mổ, lò
xo xupap.
-

Trục cam được dẫn động nhờ trục khuỷu và cặp bánh răng phân phối.

Hình 1.2. Cơ cấu phân phối khí dùng xupap treo
 Ưu điểm:
- Buồng cháy rất gọn, diện tích truyền nhiệt nhỏ vì vậy giảm được tổn thất
nhiệt.
-

Đối với động cơ xăng khi dùng hệ thống phân phối khí xupap treo làm cho
khả năng chống kích nổ tăng lên rõ rệt.
5


-

Ngoài ra, cơ cấu phân phối khí dạng này còn làm cho dạng đường nạp thải
thanh thoát hơn khiến sức cản khí động giảm nhỏ, đồng thời tạo điều kiện
tăng hệ số nạp.

 Nhược điểm:
-

Dẫn động xupap phức tạp, tăng chiều cao động cơ.


-

Làm cho kết cấu của nắp xi lanh trở nên phức tạp hơn, rất khó đúc.

-

Độ tin cậy thấp hơn phương án bố trí xupap đặt.

1.2.3. Cơ cấu phân phối khí dùng van trượt
- Đa số sử dụng trên động cơ 2 kỳ, piston đóng vai trò như một van trượt
điều khiển đóng mở cửa nạp và cửa thải.

Hình 1.3. Cơ cấu phân phối khí dùng van trượt
 Ưu điểm:
-

Tiết diện thông qua lớn, dễ làm mát cơ cấu phân phối khí, ít tiếng ồn.

 Nhược điểm:
-

Kết cấu quá phức tạp, giá thành chế tạo cao.
6


1.3. Phương án chọn hệ thống

Dẫn động trực tiếp
Dẫn động xupap

Dẫn động gián tiếp
Một trục(SOHC)
Số lượng trục cam
Hai trục(DOHC)

Ph
ươ
ng
án

Dẫn động bằng bộ truyền xích
Dẫn động trục cam

Dẫn động bằng bộ truyền đai
Dẫn động bằng bánh răng
Cam lồi

Chọn biên dạng cam

Cam tiếp tuyến
Nấm xupap

Các chi tiết khác

Con đội
Lò xo
7


 Ưu điểm:

-

Không cần đến các chi tiết trung gian như con đội, đũa đẩy,…làm cho việc
dẫn động xupap trở nên đơn giản, chính xác, cơ cấu làm việc êm dịu hơn.

1.3.2. Phương án dẫn động xupap
1.3.2.1. Dẫn động trực tiếp
-

Bố trí trục cam trên nắp xy lanh để dẫn động trực tiếp hoặc dẫn động thông
qua cò mổ nhằm tăng tỷ số truyền động.

Hình 1.4. Dẫn động xupap trực tiếp
 Nhược điểm:
-

Hệ trục, hai cặp bánh rẳng côn, biên dạng cam phức tạp, khó chế tạo

-

Tuy nhiên khi làm việc, xupap xả thường nóng tới 300 – 400 0C, vì vậy các
đường ren dễ bị kẹt do han rỉ.

1.3.2.2. Dẫn động gián tiếp

8


-


Bố trí trục cam ở hộp trục khuỷu hoặc ở thân máy để dẫn động gián tiếp qua
con đội, đũa đẩy, cò mổ...Các đũa đẩy được bố trí dọc theo chiều thân máy.

Hình 1.5. Dẫn động xupap gián tiếp
 Ưu điểm:
-

Buồng cháy gọn.

 Nhược điểm:
-

Có nhiều chi tiết hơn và được bố trí ở thân máy và nắp xy lanh nên làm
tăng chiều cao động cơ.

-

Nắp máy của động cơ phức tạp, khó chế tạo.

-

Việc đảm bảo độ bền của các chi tiết yêu cầu khắt khe khi làm việc ở chế
độ có số vòng quay cao.

1.3.2. Phương án truyền động trục cam
1.3.2.1. Truyền động trục cam bằng bộ truyền bánh răng
 Ưu điểm:
-

Kết cấu đơn giản.


-

Do cặp bánh răng phân phối khí thường dùng bánh răng nghiêng nên ăn
khớp êm và bền.

-

Liên kết chính xác giữa hai trục, thời điểm phân phối khí chuẩn.
9


 Nhược điểm:

-

Khi khoảng cách giữa trục cam với trục khuỷu lớn thì phải dùng thêm nhiều
bánh răng trung gian để dẫn động nên làm cho thân máy thêm phức tạp và
cơ cấu dẫn động trở nên cồng kềnh, khi làm việc thường có tiếng ồn.

1.3.2.2. Truyền động trục cam bằng bộ truyền xích

Hình 1.6. Truyền động trục cam bằng bộ truyền bánh răng
 Ưu điểm:
-

Gọn nhẹ, truyền động êm.

- Dẫn động được trục cam ở khoảng cách lớn.
 Nhược điểm:

-

Giá thành chế tạo xích dẫn động cao.

-

Thời điểm phân phối khí không chuẩn khi xích bị giãn.
10


-

Gây tiếng ồn rất lớn khi làm việc ở tốc độ cao.

Hình 1.7. Truyền động trục cam bằng bộ truyền xích
1.3.2.3. Truyền động trục cam bằng bộ truyền đai răng
 Ưu điểm:
-

Dẫn động khi khoảng cách trục lớn.

-

Vận hành êm ái, không cần bôi trơn.

-

Bộ truyền đai nhẹ, giúp giảm đáng kể lực quán tính cho hệ thống.

- Chế tạo đơn giản, giá thành rẻ.

 Nhược điểm:
-

Dây đai mau giãn, khi đó dẫn đến thời điểm phân phối khí phối khí bị sai
lệch do đó đòi hỏi phải kiểm tra độ căng đai thường xuyên.

-

Kích thước bộ truyền lớn hơn so với bộ truyền xích nếu truyền cùng công
suất và số vòng quay.

11


Hình 1.8. Truyền động trục cam bằng bộ truyền đai răng
1.3.3. Phương án số lượng trục cam
1.3.3.1. Một trục (SOHC)
 Ưu điểm:
- Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, chi phí thấp, có ưu thế hơn ở vòng đua thấp.
 Nhược điểm:
-

Do trục cam phải đặt chính giữa buồng đốt để truyền động cho cả van
nạp/xả nên bu gi phải đặt sang bên cạnh khiến hiệu quả sử dụng nhiên liệu
kém hơn hẳn, nên tiêu hao nhiên liêu nhiều hơn.số lượng xupap được bố
trí hạn chế thường là 2.

12



Hình 1.9. Trục cam SOHC
1.3.3.2. Hai trục DOHC

Hình 1.10. Trục cam DOHC
 Ưu điểm:

-

Có ưu thế ở số vòng tua cao. Máy hoạt động êm ái ít nóng. Bugi đặt ở giữa
buồng đốt nên hiệu quả đốt cháy nhiên liệu tốt hơn,có thể bố trí nhiều xy
lanh thường là 4.

 Nhược điểm:

-

Kết cấu phức tạp, giá thành cao, khó sửa chữa thay thế.

1.3.4. Phương án chọn biên dạng cam
1.3.4.1. Biên dạng cam lồi

13


Hình 1.11. Biên dạng cam lồi
 Ưu điểm:
-

Khả năng lưu thông dòng khí lớn nhất.


-

Giảm được kích thước và phụ tải lên lò xo.

 Nhược điểm:
- Khi làm việc va đập rất mạnh.
1.3.4.2. Biên dạng cam tiếp tuyến

Hình 1.12. Biên dạng cam tiếp tuyến
 Ưu điểm:
-

Gia tốc đóng mở xupap cũng nhỏ nhất, thích hợp cho các động cơ yêu cầu
14


cao về giảm va đập và làm việc êm ái.
 Nhược điểm:
-

Chịu phụ tải lớn.

1.3.5. Phương án cho các chi tiết khác
1.3.5.1. Nấm xupap
a. Nấm bằng
-

Được dung cho đa số các loại động cơ.

Hình 1.13. Xupap nấm bằng

 Ưu điểm:
-

Chế tạo đơn giản.

-

Có thể dung cho cả xupap nạp và xả.

 Nhược điểm:
- Dòng khí lưu thông không nhanh.
b. Nấm lồi

Hình 1.14. Xupap nấm lồi
 Ưu điểm:
-

Cải thiện tình trạng lưu thông của dòng khí thải (vì mặt nấm lồi lên nên hạn
chế khu vực tạo thành xoáy khi thải khí).
15


-

Trọng lượng nhỏ.

 Nhược điểm:
-

Khó chế tạo.


- Bề mặt chịu nhiệt lớn.
c. Nấm lõm
-

Thường dung làm xupap nạp cho các loại động cơ máy bay và một số động
cơ cường hóa.



Ưu điểm:
- Cải thiện tình trạng lưu thông của dòng khí nạp vào xylanh.
- Tăng cường độ cứng vững cho phần nấm xupap.



Nhược điểm:
- Chế tạo khó.
- Mặt chịu nhiệt của xupap lớn dẫn đến việc xupap dễ bị quá nóng.

Hình 1.15. Xupap nấm lõm
1.3.5.2. Con đội
a. Con đội cơ khí (hình trụ hoặc hình nấm)
 Ưu điểm:
-

Con đội hình nấm thường được làm rỗng, thân to, mặt tiếp xúc với lỗ dẫn
hướng lớn nên dễ hao mòn.

-


Con đội hình trụ có kết cấu đơn giản, nhẹ, dễ chế tạo.
16


 Nhược điểm:
-

Khi sử dụng con đội loại này, dạng cam phối khí phải là cam lồi.

Hình 1.16. Con đội hình nấm (trái) và con đội hình trụ (phải)
b. Con đội con lăn
 Ưu điểm:
-

Do mặt tiếp xúc với mặt cam bằng con lăn nên ma sát nhỏ.

-

Phản ánh chính xác quy luật chuyển động nâng hạ của cam tiếp tuyến và
cam lõm.

 Nhược điểm:
-

Kết cấu phức tạp

17



Hình 1.17. Con đội con lăn
c. Con đội thủy lực
 Ưu điểm:
-

Khi dùng con đội loại này, cơ cấu phân phối khí không tồn tại khe hở nhiệt,
không gây va đập giữa các chi tiết dẫn đến tránh được tiếng ồn.

 Nhược điểm:
-

Kết cấu rất phức tạp, giá thành đắt

-

Yêu cầu động cơ sử dụng phải sạch và có độ nhờn ổn định.

Hình 1.18. Con đội thủy lực
18


1.3.5.3.

Phương án thiết kế lò xo trên một xupap

a. Dùng một lò xo trụ có bước xoắn thay dổi
 Ưu điểm:
- Kết cấu đơn giản, khi hoạt động tránh được hiện tượng cộng hưởng.
 Nhược điểm:
- Khó sử dụng cho các động cơ cao tốc

b. Dùng nhiều lò xo xoắn ngược nhau
 Ưu điểm:
-

Ứng suất xoắn trên một lò xo nhỏ so với khi chỉ dùng một lò xo

-

Tránh được hiện tượng cộng hưởng do các vòng đều có tần số dao động tự
do khác nhau

 Nhược điểm:

-

Số lượng chi tiết tăng

c. Không dùng lò xo (đóng mở xupap bằng cơ cấu cam)
 Ưu điểm:
- Ít gây va đập, đảm bảo quy luật phân phối khí.
 Nhược điểm:
-

Chế tạo và điểu chỉnh rất khó khăn nên chỉ thường sử dụng ở các loại
động cơ tốc độ rất cao

19


CHƯƠNG 2: CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Dựa vào các phân tích phương án thiết kế đã nêu ở trên, ta chọn phương án như sau:
-

Bố trí xupap: Xupap treo.

-

Phương pháp truyền động trục cam: Dẫn động từ trục khuỷu thông qua bộ
truyền bánh răng.

-

Phương pháp dẫn động xupap: Dẫn động gián tiếp.

-

Biên dạng cam: Cam lồi cung tròn.

-

Các chi tiết khác:
• Nấm xupap: Nấm bằng.
• Lò xo: Lò xo xoắn ốc hình trụ.
• Con đội: Con đội cơ khí hình trụ

2.1.

Sơ đồ cấu tạo

Hình 2.1. Cơ cấu phân phối khí dùng xupap treo

2.2.

Nguyên lí hoạt động

20


Hình 2.2. Nguyên lí làm việc cơ cấu phân phối khí dùng xupap treo
-

Khi động cơ bắt đầu làm việc, trục khuỷu quay dẫn động trục cam quay
thông qua bộ truyền bánh răng, các vấu cam nạp và cam xả quay tới vị trí tỳ
lên con đội, đẩy con đội đi lên qua đũa đẩy tỳ vào vít điều chỉnh đẩy đuổi
cò mổ đi lên, đầu còn lại của cò mổ đi xuống tỳ vào đuôi xupap đẩy xupap
đi xuống mở cửa hút xả. Nếu xupap hút mở, cửa hút mở để hỗn hợp nhiên
liệu và không khí nạp vào buồng công tác của động cơ. Nếu xupap xả mở,
cửa xả cho khí cháy trong buồng cháy thoát ra ngoài ống xả.

-

Khi cam quay qua vị trí tỳ vào con đội, lò xo đẩy xupap đi lên đóng cửa hút
hoặc xả. Nhờ cò mổ thanh đẩy luôn đảm bảo con đội tiếp xúc với cam.

21


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN NHIỆT
3.1. Mục đích tính toán nhiệt
-


Tính toán nhiệt động cơ đốt trong chủ yếu là xây dựng trên lý thuyết đồ thị
công chỉ thị của một động cơ cần được thiết kế, thông qua việc tính toán các
thông số nhiệt động lực học của chu trình công tác. Chu trình công tác của
động cơ bao gồm các quá trình sau: quá trình nạp, quá trình nén, quá trình
giãn nở sinh công, quá trình thải. Với quy luật diễn biến của các chu trình,
có thể xây dựng phương pháp tính chu trình lý thuyết tương đối sát với chu
trình làm việc.

-

Từ kết quả của các tính toán nói trên ta xây dựng giản đồ công chỉ thị (P –
V) và đồ thị đường đặc tính ngoài và đây là các số liệu cơ bản cho các bước
tính tóa động lực học và thiết kế sơ bộ cũng như thiết kế kĩ thuật toàn bộ
động cơ.

3.2. Tính toán nhiệt
3.2.1.

3.2.2.

Các thông số kỹ thuật ban đầu

-

Động cơ Diesel

-

Số xylanh (i)


1

-

Đường kính xylanh (D) (mm)

72

-

Hành trình piston (S) (mm)

75

-

Số kỳ (τ)

4

-

Tỉ số nén

24

-

Công suất cực đại ( kW/vòng/phút)


3,57/2200

-

Moment cực đại ( kgm/vòng/phút)

1,62/1800

Chọn các thông số tính toán nhiệt
Áp suất không khí nạp p0 (MPa)
Nhiệt độ không khí nạp mới T0 (K)
Áp suất khí nạp trước xupap nạp pK (MPa)

0.1013
302
0.1013
22


Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp TK (K)
Áp suất cuối quá trình nạp pa (MPa)
Áp suất khí sót pr (MPa)
Nhiệt độ khí sót Tr (K)
Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới ΔT (K)
Hệ số nạp thêm λ1
Hệ số quét buồng cháy λ2
Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt
Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z (ξz)
Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (ξb)
Hệ số dư lượng không khí α

Hệ số điền đầy đồ thị công (ϕd)
Tỷ số tăng áp λp
Chỉ số nén đa biến trung bình của không khí m

302
0.08104
0.115
750
10
1.03
1
1.11
0.65
0.8
1.75
0.9
1.6
1.5

23


3.2.3.Quá trình nạp
- Hệ số nạp:
1/ m
 Pr  
Pa 
TK
1
ηv =

×
× ×ελ1 - λ t λ 2  ÷ 
ε -1 TK + ΔT Pk 
 Pa  

1/1,5
1
302
0, 08104 
 0,115  
ηv =
×
×
× 24.1, 03 − 1,11.1
÷ 
24 − 1 302 + 10 0,1013 
 0, 08104  

ηv = 0, 78504
-

Hệ số khí sót:

γr =

λ2
P T
× r×k
(ε -1).η v Pk Tr


γr =

1
0,115 302
×
×
= 0, 02532
(24 − 1).0, 78508 0, 08041 750

- Nhiệt độ cuối quá trình nạp:
m −1

P  m
Tk + ΔT + λ t γ r Tr  a ÷
 Pr 
Ta =
1γ+ r

1,5−1
1,5

 0, 08041 
302 + 10 + 1,11.0, 02532.750. 
0,115 ÷


Ta =
1 + 0, 02532
Ta = 322.580 K


3.2.4.Quá trình nén
- Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới:

mcv = 19,806 + 0,002095T ( KJ / Kmol o K )
- Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm
cháy:

24


"

1,634
1
T + ( 427,38 + 184,36 / α ) 10 −5 T
2
2
= 19,806 + 0,00507T ( kJ / Kmol.K )

mcv = 19,806 +

- Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp trong
quá trình nén:
mc v + γ r mc v 19,806 + 0,002095T + 0,04189 ( 19,806 + 0,00507T )
mc =
=
1+ γ r
1 + 0,04621
"


'
v

= 19,82617 + 0,00211T ( kJ / kmol.K )
mcv ' = a 'v +

b'
T
2

mà
- Chỉ số nén đa biến trung bình:
8,314
8,314
=
n1 −1
b'
av' + Ta ε n1 −1 + 1 19,806 + 0.00211.322,56 24 + 1
2
⇒ n1 = 1,36827
n1 − 1 =

(

)

(

)


ε
- Áp suất cuối quá trình nén: pc=pa. n1=0,08104.241,36827
= 6,26905(Mpa)
ε
- Nhiệt độ cuối quá trình nén: Tc=Ta n1-1=322,561,36827-1=
1039,770C.

3.2.5.Quá trình cháy
- Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1kg
nguyên liệu:
M o = 0, 4357( kmol / kk )

- Lượng khí nạp mới vào xylanh:
M 1 = αM 0 = 1, 75.0, 48 = 0,76248( KmolKK / Kgnl )

- Lượng sản phẩm cháy:
25