Báo cáo khoa học: "Nâng cao tuổi thọ của động cơ ô tô đời mới khai thác trong điều kiện Việt Nam" doc

Nâng cao tuổi thọ của động cơ ô tô đời mới
khai thác trong điều kiện Việt Nam


TS. Nguyễn Duy Tiến
Bộ môn Động cơ đốt trong
Khoa Cơ khí - Trờng Đại học GTVT

Tóm tắt: Bi báo trình by một số biện pháp nâng cao tuổi thọ của động cơ đời mới khai
thác trong điều kiện nhiệt đới Việt Nam v trình by một số kết quả nghiên cứu của tác giả ở
nớc ngoi v trong nớc về nâng cao hiệu quả khai thác động cơ ô tô đời mới.
Summary: The article presents some methods of improving the age of automobile
engines of new types assembled and operated in Viet Namese tropical context. The article also
presents some national and oversea research results in this field.

Trong chế tạo, lắp ráp và khai thác ô tô,
động cơ đóng vai trò quan trọng nhất và làm
việc nặng nhọc nhất.
Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu
khoa học trong lĩnh vực động cơ ô tô nhằm
các mục đích sau:
1. Nâng cao công suất, nhất là công
suất/ lít (mã lực/lít thể tích công tác).
2. Nâng cao chỉ tiêu tiết kiệm (tính kinh tế
của động cơ).
3. Nâng cao tuổi thọ khi khai thác (thời
gian phục vụ).
4. Hạ giá thành chế tạo, khai thác và bảo
dỡng sửa chữa động cơ.
Mỗi một hệ thống, mỗi cơ cấu, mỗi cụm

chi tiết đều có nhiều dạng đề tài cần nghiên
cứu, nhất là trong tình hình nớc ta hiện nay
các liên doanh lắp ráp ôtô cho ra thị trờng
hàng loạt nhng xe đời mới có giá thành cao.
Đặc biệt, theo Tổng Công ty Công nghiệp
ô tô Việt Nam thì sắp tới chúng ta có một loạt
các nhà máy chế tạo động cơ và ô tô mang
nhãn hiệu Việt Nam. Trong đó tăng cờng tỷ
lệ nội địa hoá chi tiết là vấn đề đợc đặt lên
hàng đầu.
i. hớng để chúng ta có thể nghiên
cứu
1. Nâng cao tuổi thọ động cơ bằng cách
cải tiến kết cấu động cơ.
2. Nâng cao tuổi thọ động cơ bằng cách
điều chỉnh tự động trạng thái nhiệt trong động
cơ.
3. Nâng cao độ bền bằng cách điều
chỉnh hệ thống nhiên liệu (các bua ra tơ hồi
tiếp điện tử, phun xăng EFI) phun xăng trực
tiếp GDI.
4. Cải tiến việc thiết kế chế tạo vòng
găng cho phù hợp với điều kiện khai thác.
5. Cải tiến hệ thống nạp khí, đỉnh pittông
để phù hợp với hệ thống phun xăng điện tử.
6. Chế độ chạy rà động cơ và ảnh hởng
của sự sai lệch khi lắp ráp cơ cấu trục khuỷu

thanh truyền.
Dới đây xin trình bày sơ bộ một số biện

pháp trên:
1. Sử dụng động cơ có hành trình S/D
ngắn
Những năm đầu thế kỷ XXI các động cơ ô tô
(đặc biệt là các nớc t bản nh Pháp, Đức, ý, )
đều sử dụng động cơ có hành trình S/D ngắn
(S/D = 95/100; 95/108) cho phép cờng hoá (nâng
cao công suất) bằng cách tăng tốc độ quay của
trục khuỷu lên 5000 ữ 6000 vg/ph trong khi tốc độ
trung bình của pittông tăng không đáng kể. Nhờ
đó vẫn giữ đợc độ bền của nhóm pittông - xilanh.
- Hành trình ngắn và các đờng kính của
cổ và chốt khuỷu lớn làm tăng độ trùng điệp
cổ, chốt khuỷu, làm tăng đợc độ cứng vững
của trục khuỷu và cải thiện tốt điều kiện làm
việc của các ổ đỡ trục.
- Thân pittông đợc kéo dài, phía trên
vòng găng thứ nhất có một rãnh có vòng găng
ở trong nên tăng đợc tố độ bền của pittông,
giảm mòn theo chiều cao rãnh và giảm mòn
cho bản thân vòng găng.
- Mặt ngoài vòng găng có mạ 1 lớp Crôm
xốp mỏng, thân pittông có dạng ô - van ở
phơng trục pittông đề phòng giãn nở nhiệt.
Tâm chốt pittông lệch với đờng tâm xi lanh 1
đoạn 1,6mm về phía lực ngang N cực đại để
giảm va đập của đầu pittông vào phần trên
thành xi lanh, giảm tiếng ồn, làm cho áp lực
của pittôngvào thành xilanh đợc đồng đều ở
cả 2 bên và theo chiều cao của thân.

- Thanh truyền khi gia công có phun hạt
vào bề mặt để tăng độ bền mòn.
Nói tóm lại, khi thiết kế và gia công các
cụm và chi tiết ngời ta đã áp dụng các biện
pháp công nghệ tiên tiến để nâng cao độ bền
của tất cả các chi tiết quan trọng, các cơ cấu
và hệ thống của động cơ ô tô.
2. Nâng cao tuổi thọ của động cơ bằng
cách cải tiến hệ thống làm mát
Đa số động cơ lắp ráp ở Việt Nam đợc
làm mát bằng nớc khi động cơ làm việc nhiệt
độ nớc làm mát tốt nhất là (85 ữ 90)
0
C, nếu
quá thấp nhiệt độ sấy hỗn hợp sẽ giảm
nhanh, tăng mòn thành xi lanh phía đối diện
xupáp nạp, độ nhớt dầu cao bôi trơn khó,
cháy kém. Nếu quá nóng > 100
0
C máy quá
nóng dễ sinh kích nổ, hao xăng giảm công
suất, các chi tiết mau mòn, nhanh bị phá
hỏng. ô tô hoạt động ở vùng núi cao (so với
mặt nớc biển) áp suất khí quyển giảm, mật
độ khí nạp giảm dẫn đến giảm năng suất quạt
gió, giảm mức truyền nhiệt từ két nớc ra
không khí hạ thấp nhiệt độ sôi của nớc
(<100
0
C nớc đã sôi), vì vậy động cơ mau

nóng giảm tuổi thọ động cơ.
Đối với Việt Nam, Đờng bộ kéo dài từ
Cửa khẩu Hữu nghị đến Mũi Cà mau, nhiệt độ
mùa hè có lúc trên 40
0
C ở đồng bằng nên mật
độ không khí giảm nhiều cũng ảnh hởng
nhiều tới hệ thống làm mát. Vì vậy để đảm
bảo cho hệ thống làm mát của động cơ làm
việc tốt ở mọi địa phơng các nhà lắp ráp,
nhập khẩu linh kiện ở Việt Nam đã tiến hành
một số cải tiến sau:
- Sử dụng bình giãn nở (bình nớc phụ) ở
hầu hết các ô tô du lịch đời mới nh Camry,
Ford, Mazda-6V, Mazda 3
- Sử dụng quạt gió truyền động điện (quạt
điện) có hệ thống đóng ngắt tự động nhờ bộ ly
hợp điện từ theo nhiệt độ của động cơ.
3. Tự động điều chỉnh trạng thái nhiệt
trong động cơ
- Độ mòn của các xi lanh, pittông, vòng
găng, bạc lót, phụ thuộc rất nhiều vào trạng
thái nhiệt của động cơ (ngoài các nguyên
nhân khác). Hạ thấp nhiệt độ của các chi tiết
dới nhiệt độ tới hạn đến mức hơi nớc của
các sản phẩm cháy có thể ngng tụ trên bề
mặt các chi tiết thì sẽ tăng độ rỉ ăn mòn và

các xi lanh của động cơ rất nhạy cảm khi bị
quá nguội. Nếu thiếu điều chỉnh trạng thái

nhiệt động cơ sẽ tăng rỉ ăn mòn, giảm tính
kinh tế (tăng chi phí nhiên liệu 10 ữ 15%).
Một trong các điều kiện để nâng cao độ
bền các chi tiết, nâng cao công suất và tiết
kiệm nhiên liệu là đảm bảo sấy nóng nhanh
động cơ khi khởi động lạnh (nhanh chóng đa
nhiệt độ động cơ lên 80
0
C) và giữ nhiệt độ
các chi tiết khác một cách hợp lý. Điều này
động cơ ô tô đời mới đã đảm bảo đợc bằng
cách bố trí các cảm biến tự động báo về máy
tính điều khiển phun xăng (ECU).
ii. Vấn đề chạy r các động cơ khi
lắp ráp v khai thác tại Việt nam
Động cơ ô tô lắp ráp xong (chế tạo mới)
hoặc sau đại tu nhất thiết phải chạy rà, nếu
không động cơ nhanh h hỏng. Điều này đặc
biệt quan trọng khi nớc ta đang trên đà hội
nhập và đổi mới, nhất là với nền công nghiệp
ôtô còn non trẻ của Việt Nam.
Thông thờng áp dụng chạy rà trên bệ thí
nghiệm với các chế độ hợp lý (trong các nhà
máy chế tạo động cơ) hoặc các xí nghiệp liên
doanh lắp ráp ô tô - nhằm nâng cao tuổi thọ
của động cơ mới khi khai thác.
Yêu cầu cơ bản của các động cơ là chịu
đợc mọi phụ tải cho đến phụ tải giới hạn,
tơng ứng với các chỉ tiêu công suất và tiết
kiệm, giảm độ mòn chung của động cơ sau

này. Muốn vậy phải có phơng pháp chạy rà
hợp lý trên bệ, tìm đợc phơng pháp hợp lý
phù hợp với mỗi loại động cơ là một đề tài cần
đợc nghiên cứu. Trong thực tế có rất nhiều
yếu tố ảnh hởng đến việc chạy rà động cơ
nh:
- Tính chất kim loại của các cặp chi tiết
ma sát.
- Chất lợng gia công cơ khí (độ mấp mô
bề mặt chi tiết, sai lệch về hình dáng, kích
thớc) các phơng pháp gia công cơ khí (nhiệt
luyện, tôi cao tần, thấm hoá học), chất lợng
lắp ráp, dầu bôi trơn, trạng thái nhiệt của động
cơ, tốc độ ma sát trợt, các phụ tải và đặc
điểm diễn biến của chúng.
Để thí nghiệm trên bệ chạy rà hợp lý và
phù hợp với từng loại động cơ ta nên sử dụng
lý thuyết để xác định cho từng loại động cơ,
sau đó kiểm tra tính toán bằng thí nghiệm trên
bệ (kết quả lý thuyết gần với thực tế) cho phép
ta suy ra các kết quả rút ngắn thời gian xác
định chế độ chạy rà.
Khi tính toán lý thuyết ta phải tiến hành
tính toán nhiệt, tính toán động lực học, tính
phụ tải tác dụng lên các chi tiết từ chế độ
không tải đến chế độ toàn tải, tính bôi trơn các
ổ trục,
Sau đó thí nghiệm theo các chế độ vận
tốc đã tính toán và các chế độ trung gian, từ
không tải đến toàn tải, kiểm tra các thông số

đo đạc trong thí nghiệm với các thông số tính
toán xác định độ mòn các chi tiết và chọn các
chế độ chạy rà hợp lý.
Đối với một động cơ cụ thể ta sẽ có công
suất lớn nhất ứng với số vòng quay ứng với
công suất lớn nhất.
Trớc hết ta tính sơ bộ chế độ phụ tải
theo áp suất thực tế trung bình p
e
. Vì p
e
đặc
trng cho động lực học về biến thiên áp suất
đơn vị (áp suất riêng) trên bề mặt của các cặp
ma sát trong một chu kỳ làm việc:
eh
e
e
n.i.V
N 450
p

=
, KG/cm
2
trong đó:
- hệ số kỳ (động cơ 2 kỳ = 1; động cơ
4 kỳ = 2).
N
e

- công suất thực tế (mã lực).
V
h
- thể tích công tác của 1 xi lanh (cm
3
)
i - số xi lanh.

n
e
- tốc độ động cơ, vg/ph.
Trong động cơ thí nghiệm p
e
là hàm số
của
e
e
n
N

P
e
=

e
e
n
N
f

Sau khi tính toán ta xây dựng đợc đồ thị:
p
e
=








e
e
n
N
f

Hình 1. Đồ thị

= )
n
N

(p
e
e
e

a. áp lực p
vg
1. có tải
2. không tải
3. chạy rà nguội
b. Đồ thị p
e
=








e
e
n
N
f

Sau đó, ta phải tính phụ tải trên các cặp
ma sát chính: vòng găng - xilanh; chốt khuỷu -
bạc lót.

Sử dụng các công trình nghiên cứu của
các chuyên gia về động cơ đốt trong ta thấy
áp suất khí thể tác dụng lên vòng găng thứ
nhất diễn biến giống nh áp suất khí thể trong
xi lanh(p
kt
) và giảm dần đối với các vòng găng
tiếp theo.
Thực nghiệm chứng minh rằng:
- vòng găng thứ nhất chịu 76% p
kt
.
- vòng găng thứ 2 chịu 20% p
kt
- vòng găng thứ 3 chịu 7,6% p
kt
Vậy ta chỉ cần tính cho vòng găng thứ
nhất là đủ.
Sau khi đã tính toán và giải các bài toán
về động lực học ở cặp chi tiết này ta tìm
đợc áp suất tổng cộng của vòng găng
lên thành xi lanh. p
vg
.
p
vg
=
1
jktykt
f.f1

)pp.87,0(fp
d
b2d
.

+







p.76,0
f - hệ
;
KG/cm
2
.
10
15
20
25
30
35
p
vg
KG/cm
2
KG/cm

2
p
e
500
900
1100
1300
1500 1700 1900 2100
10
15
n
e
v/p
5
a/
b/
1
2
3
5
10
20
30 40 50 60 70
2400
N
e
ml
trong đó:
d - đờng kính ngoài vòng găng.
b - chiều rộng vòng găng (chiều

dầy hớng kính).
số ma sát giữa vòng găng và xilanh
(f = 0,2).
f
1
- hệ số ma sát giữa vòng găng và
pittông f
1
= 0,15.
p
j
- lực quán tính chuyển động tịnh
tiến.
- Bớc tiếp theo là tính toán động lực học
chốt khuỷu, bạc lót để kiểm tra thêm chế độ
chạy rà đã chọn.
Theo tính toán và thực nghiệm áp lực ở
cặp này lớn hơn áp lực ở cặp vòng găng -
xilanh từ 3 ữ 4 lần.
- Tiếp tục dựng các đồ thị độc cực phụ tải
tác dụng lên chốt và bạc lót, tính áp lực riêng
của bạc lên chốt pittông p
b
.
p
b
=
l.d
F.R
1

; KG/cm
2

R - phụ tải tác dụng lên chốt theo 1 cm
2

bề mặt pittông, lấy R
max
ở đồ thị khai triển từ
đồ thị độc cực).
F - diện tích đỉnh pittông, F =
4
D.
2

, cm
2
D - đờng kính xi lanh, cm
d
1
- đờng kính trong bạc lót, cm
l - chiều dài làm việc của bạc, cm.
Sau đó dựng đồ thị p
b
= f(n) để xác định
xem chạy rà nguội phải bắt đầu từ tốc độ nào
và kết thúc ở tốc độ nào (trong phạm vi p
b

đang tăng). Khi thấy p

b
bắt đầu giảm thì thôi.
Sau đó chạy rà nóng có tải
Chú ý:
- Chạy rà nguội - dùng động cơ điện quay
động cơ.
- Chạy không tải và có tải - chạy rà nóng
(động cơ đã nổ máy).
iii. Kết luận
Trên cơ sở các vấn đề đã phân tích trên,
tác giả đa ra hớng nghiên cứu để không
ngừng nâng cao chất lợng nội địa hoá phụ
tùng, chất lợng lắp ráp và nhiệt đới hoá
phơng tiện khai thác trong điều kiện Việt Nam.
Tài liệu tham khảo
[1]. M.K.KHOVAKH. MOTOR VEHICLE ENGINES
MOSCOW, 1971.
[2]. Nghiên cứu các biện pháp nâng cao chất
lợng khai thác, bảo d ỡng sửa chữa động
cơ dùng trên các phơng tiện GTVT tại Việt
Nam. Đề tài NCKH cấp Bộ B98-35-66, Chủ
trì: TS. Nguyễn Duy Tiến