Thiết kế động cơ xylanh

Đồ án động cơ đốt trong
Lớp: DHOT3
1
NỘI DUNG
1. GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
1.1 ĐẶC ĐIỂM ĐỘNG CƠ THIẾT KẾ
- Số xy lanh và cách bố trí xy lanh: Động cơ được thiết kế là loại 4 kỳ có 4
xylanh, bố trí thẳng hàng .
+ Công suất danh nghĩa: N
en
= 106,3 kW
+ Số vòng quay danh nghĩa: n
n
= 6000 (vòng/phút)
- Động cơ này được sử dụng trang bị trên phương tiện, ô tô loại Kia Caren.
1.2 TỔ CHỨC QUÁ TRÌNH CHÁY
1.1.1. Loại nhiên liệu.
- Nhiên liệu dùng cho động cơ là xăng không chì.
- Các thành phần có trong nhiên liệu:
C = 0,885, H = 0,145, O = 0, S = 0 [2, Tr51]
1.1.2. Buồng đốt.
chọn loại buồng cháy
-Buồng cháy hình bán cầu
Loại này có đặc điểm là diện tích bề mặt buồng đốt nhỏ gọn. Trong buồng đốt bố
trí một xupap nạp và một xupap thải, hai xupap này bố trí về 2 phía khác nhau. Trục
cam bố trí ở giữa nắp máy và dùng cò mổ để điều khiển sự đóng mở của xupap. Sự bố
trí này rất thuận lợi cho việc nạp hỗn hợp khí và thải khí cháy ra ngoài.
GVHD: Hoàng Ngọc Dưong SVTH: nhóm 11
Đồ án động cơ đốt trong
Lớp: DHOT3
2

1.1.3. Hệ thống nhiên liệu.
Sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu xăng, đời mới phun xăng trực tiếp GDI.
GDI là từ viết tắt của cụm từ Gasonline direct injection chỉ các loại động cơ phun xăng
trục tiếp. Trong loại động cơ này, xăng được phun thẳng vào buồng cháy các xi-lanh,
khác hẳn nguyên lý phun xăng vào đường nạp của các động cơ phu xăng điẹn tử thông
dụng. “ GDI ” là mẫu động cơ ưu việt về sự cung cấp nhiên liệu và buồng cháy tối ưu,
công suất động cơ mạnh nhất, tiêu thụ nhiên liệu thấp nhất và ô nhiễm môi trường ít
nhất( hơn cả động cơ MPI: Multi Point Injection ). Động cơ này kiểm soát được thời
điểm phun nhiên liệu một cách chính xác.
a. Động cơ GDI có những đặc tính nổi bật sau đây:
•Điều khiển được lượng xăng cung cấp rất chính xác, hệ số nạp cao như động cơ
diesel và thậm chí hơn hẳn động cơ diesel
•Động cơ có khả năng làm việc được với hổn hợp cực loãng( Air/Fuel) = (35 -55)
(khi xe đạt được vận tốc trên 120 Km/h).
•Hệ số nạp rất cao, tỉ số nén e cao (e =12). Động cơ GDI vừa có khả năng tải rất
cao, sự vận hành hoàn hảo, vừa có các chỉ tiêu khác hơn hẳn động cơ MPI .
b. Những đặc điểm chủ yếu của động cơ “ GDI”:
•Sự tiêu thụ nhiên liệu rất thấp. Tiêu thụ nhiên liệu còn ít hơn động cơ diesel.
•Công suất động cơ siêu cao, cao hơn nhiều so với các loại động cơ MPI đang sử
dụng hiện nay.
c. Những đặc tính kỹ thuật của động cơ GDI :
•Đường ống nạp thẳng góc với piston, tạo được sự lưu thông của lưu lượng gió tối
ưu nhất.
•Hình dạng đỉnh piston lồi, lõm như hình vẽ tạo thành buồng cháy tốt nhất, tạo
được sự hòa trộn nhiên liệu + không khí tối ưu (hơn cả loại phun xăng MPI ).
•Bơm xăng cao áp cung cấp xăng có áp suất cao đến kim phun và phun trực tiếp
vào xi lanh động cơ.
•Kim phun nhiên liệu có áp suất phun cao (50 KG/cm2), chuyển động xoáy lốc
kết hợp với không khí tạo thành hổn hợp hòa khí ( xăng + gió) tốt nhất .
•Ở chế độ tải nhỏ nhiên liệu được phun ở cuối quá trình nén. Ở chế độ đầy tải

nhiên liệu được phun ở quá trình nạp.
GVHD: Hoàng Ngọc Dưong SVTH: nhóm 11
Đồ án động cơ đốt trong
Lớp: DHOT3
3
•Tiêu hao nhiên liệu ít hơn 35% so với động cơ phun xăng “ MPI ” hiện nay.
d. Những đặc tính riêng biệt của GDI:
•Tiêu thụ nhiên liệu ít hơn , tối ưu hơn và hiệu suất cao hơn . Thời điểm phun
được tính toán rất chính xác nhằm đáp ứng được sự thay đổi tải trọng của động cơ.Ở
chế độ tải trọng trung bình và xe chạy trong thành phố thì nhiên liệu phun ra ở cuối thì
nén, giống như động cơ diesel và như vậy hổn hợp loãng đi rất nhiều.Ở chế độ đầy tải,
nhiên liệu được phun ra cuối thì nạp, điều này có khả năng cung cấp 1 hổn hợp đồng
nhất giống như động cơ MPI nhằm mục đích đạt được hiệu suất cao.
•Quá trình cháy với hổn hợp cực loãng : Ở tốc độ cao (trên 120 Km/h), động cơ
“GDI” sẽ đốt 1 hổn hợp nhiên liệu cực loãng, tiết kiệm được lượng nhiên liệu tiêu thụ.
Ở chế độ này, nhiên liệu được phun ra cuối kỳ nén và kỳ nổ: tỉ lệ hổn hợp là cực loãng,
(Air/Fuel) = 30 - 40 (35 - 55 bao gồm EGR).
•Ở chế độ công suất cực đại : Khi động cơ GDI hoạt động ở chế độ tải lớn, toàn
tải, tốc độ cao thì nhiên liệu được phun vào xi lanh động cơ trong suốt kỳ nạp, sự cháy
hoàn hảo hơn, nhiên liệu được cháy sạch, cháy kiệt, động cơ làm việc êm dịu, không có
tiếng gỏ.
Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của một loại động cơ GDI:

e. Nguyên lý hoạt động
GVHD: Hoàng Ngọc Dưong SVTH: nhóm 11
Đồ án động cơ đốt trong
Lớp: DHOT3
4
Động cơ GDI không dùng bướm ga để điều chỉnh lượng khí nạp như động cơ
xăng dùng chế hoà khí nên đường nạp thông thoáng như đường nạp của động cơ Diezel.

Động cơ GDI thay đổi lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy tuỳ thuộc vào công suất
cần thiết. Nguyên lý điều chỉnh này cũng giống như nguyên lý làm việc của động cơ
diezel: điều chỉnh chất để có các tỷ lệ hoà khí khác nhau, phù hợp với điều kiện vận
hành. Động cơ Volkswagen cũng là động cơ phun xăng trực tiếp thuộc dòng GDI nhưng
quá trình phun xăng có đặc điểm là phun phân tầng, phân lớp nên được gọi là quá trình
phun phân lớp. FSI là viết tắt của cụm từ Fuel Stratified Injection.
•Đặc điểm của quá trình phun xăng trực tiếp FSI là động cơ phun xăng với các tỷ
lệ hoà khí hết sức nhạt. Tỷ lệ hoà khí lý tưởng tính theo trọng lượng là 14,7:1 (14,7 kg
không khí hoà trộn để đốt cháy hoàn toàn 1kg xăng) nhưng quá trình FSI đốt cháy được
nhiên liệu với tỷ lệ hoà khí cực nhạt 65:1 do đó có thể tiết kiệm nhiên liệu rất nhiều.
•Quá trình phun FSI có đặc điểm như sau: Khi xe chạy với tốc độ thấp, tăng tốc
rất nhẹ thì bộ ECU điều khiển quá trình phun xăng vào cuối thời kỳ nén của piston và
lượng hoà khí nhạt này dễ dàng tiếp cận với bu-gi tạo quá trình cháy ngay trên phần
đỉnh piston mà hầu như không tiếp xúc với vách xi-lanh. Khi xe chạy với tốc độ lớn
hoặc tải trọng lớn, nhiên liệu được phun suốt trong quá trình nạp, tỷ lệ hoà khí lý tưởng
14,7:1. Quá trình cháy triệt để, giảm lượng CO và NO2 . Ưu điểm chính của nguyên lý
phun xăng trực tiếp GDI và FSI là tăng được hiệu suất nhiệt của quá trình cháy, do đó
giảm được lượng tiêu thụ nhiên liệu và giảm nồng độ độc hại của khí xả. Động cơ phun
xăng trực tiếp còn thường sử dụng đồng thời với các kỹ thuật khác như VVT, VVT-i,
luân hồi khí xả EGR… để đạt hiệu quả kinh tế và môi trường cao.
•Ngoài ra động cơ phun xăng trực tiếp ( Gasoline Direct Injection Engine) sử
dụng phương pháp hình thành hỗn hợp phân lớp ( Stratified Mixture Formation) ở chế
độ tải nhỏ. Xăng sẽ được phun vào cuối kỳ nén. Bản chất của phương pháp này này là
bố trí một bougie đánh lửa trong buồng cháy của động cơ tại vị trí hỗn hợp có thành
phần lambda nhỏ (hỗn hợp đậm lambda = 0,85-0,9) để đốt hỗn hợp bằng tia lửa điện.
Phần hỗn hợp này sau khi bốc cháy sẽ làm mồi để đốt phần hỗn hợp còn lại có thành
phần lambda lớn (hỗn hợp nhạt). Như vậy hỗn hợp toàn bộ của động cơ là hỗn hợp nhạt.
Để điều chỉnh tải ở chế độ này, người ta sử dụng phương pháp điều chỉnh chất, thay đổi
lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy còn lượng không khí không đổi.
GVHD: Hoàng Ngọc Dưong SVTH: nhóm 11

Đồ án động cơ đốt trong
Lớp: DHOT3
5
Ở chế độ tải lớn đến toàn tải, xăng được phun từ đầu quá trình nạp. Khi đó xăng bay hơi
hòa trộn với không khí trong cylinder tạo thành hòa khí trong suốt quá trình nạp và nén
nên có thể coi là đồng nhất. Để điều chỉnh tải ở chế độ này người ta dùng van tiết lưu để
điều chỉnh lượng hỗn hợp giống động cơ phun xăng gián tiếp.
1.3 HỆ THỐNG NẠP - XẢ
Đối với động cơ 4 kỳ
1.3.1 Cơ cấu phân phối khí
Chọn cơ cấu phân phối khí kiểu xupáp treo . Vì loại này có được nhiều ưu điểm
hơn như tỷ số nén cao hơn, số vòng quay động cơ cao, hiệu suất động cơ cao…
1.3.2 Phương pháp dẫn động.
Phương pháp dẫn động: bằng đai
1.3.3 Phương pháp điều chỉnh khe hở nhiệt xupap
GVHD: Hoàng Ngọc Dưong SVTH: nhóm 11
Đồ án động cơ đốt trong
Lớp: DHOT3
6

1.3.3.1 Khe hở nhiệt xu páp là gì?
Khe hở nhiệt xu páp là khe hở được tạo ra bởi tất cả các chi tiết từ trục cam đến
xupáp khi xupáp đóng. Khe hở này được biểu thị bằng khoảng cách giữa đuôi xupáp và
đầu cò mổ khi xupáp đóng. Một số động cơ có trục cam đặt trên nắp máy tác động trực
tiếp và xupáp thì khe hở nhiệt là khoảng cách giữa cam và đuôi xupáp. ở những động cơ
này, thường điều chỉnh khe hở nhiệt bằng cách thay các tấm đệm ở đuôi xupáp
1.3.3.2 Tầm quan trọng của việc điều chỉnh khe hở nhiệt xupáp
Như đã biết mọi vật đều bị giãn nở khi nhiệt độ tăng. Khi động cơ làm việc xupáp
là chi tiết luôn luôn tiếp xúc với khí cháy có nhiệt độ cao vì vậy nó cũng bị giãn nở
trong quá trình làm việc.

Nếu không có khe hở nhiệt xupáp thì khi động cơ làm việc xupáp bị giãn nở làm
cho nó đóng không kín vào ổ đỡ làm giảm áp suất cuối kỳ nén đồng thời xupáp còn bị
cháy, rỗ bề mặt tiếp xúc với bệ đỡ. Nếu khe hở nhiệt quá lớn thì sẽ làm thay đổi thời
điểm đóng mở của các xupáp dẫn đến làm giảm công suất của động cơ, tăng mức tiêu
hao nhiên liệu, giảm tuổi thọ của động cơ…. Vì vậy trong sử dụng, bảo dưỡng và sửa
chữa ta thường xuyên kiểm tra và điều chỉnh khe hở nhiệt xupáp.
1.3.3.3 Điều kiện cần biết trước khi điều chỉnh:
 Thứ tự làm việc của động cơ.
 Khe hở nhiệt xupáp tiêu chuẩn:
Mỗi loại động cơ đều có quy định trị số khe hở nhiệt tiêu chuẩn.
Thường khe hở nhiệt xupáp hút từ 0,15 – 0,30mm, khe hở nhiệt xupáp xả từ 0,25
– 0,35mm.
GVHD: Hoàng Ngọc Dưong SVTH: nhóm 11
Đồ án động cơ đốt trong
Lớp: DHOT3
7
 Góc lệch công tác.
di = 1800.t/i
Trong đó : di là góc lệch công tác.
t là số kỳ.
i là số xilanh.
 Xác định máy song hành:
Mỗi động cơ thường có các cặp máy song hành. Các máy được gọi là song hành là
những máy có piston luôn chuyển động lên ĐCT hoặc xuống ĐCD cùng nhau nhưng
thời điểm làm việc khác nhau. Các máy song hành làm việc cách nhau 3600 theo góc
quay của trục khuỷu (một vòng quay trục khuỷu).
 Xác định vị trí các xupáp hút – xả
Có nhiều cách để xác định vị trí của các xupáp
- Căn cứ vào quy luật bố trí xupáp
XH – XH – XH – XH

XH – HX – XH - HX.
- Căn cứ vào vị trí tương ứng giữa xupáp và các cổ hút-xả.
Chú ý: chỉ điều chỉnh khe hở nhiệt xupap khi động cơ nguội và xupáp đã đóng kín
vào ổ đỡ. Khi đó khe hở nhiệt là lớn nhất.
1.3.3.4 Trình tự điều chỉnh khe hở nhiệt xupáp theo từng máy
 Chuẩn bị dụng cụ điều chỉnh: Tay quay, căn lá, tuốc nơ vít, clê, khẩu.
 Tháo các bộ phận liên quan trên nắp máy.
 Tháo nắp che giàn cò mổ xupáp
 Xác định vị trí của các xupáp hút - xả.
 Xác định góc lệch công tác giữa các máy
 Xác định các cặp máy song hành
 Chọn căn lá có chiều dày phù hợp vói khe hở nhiệt tiêu chuẩn của các xupáp hút
và xả
 Quay trục khuỷu bằng tay quay để máy số 1 ở ĐCT vào cuối kỳ nén - đầu kỳ
nổ. Khi đó máy song hành máy 1 ở thời điểm cuối xả - đầu hút (cặp xupáp của
máy song hành máy 1 đều hé mở, còn cặp xupáp của máy 1 đóng kín)
GVHD: Hoàng Ngọc Dưong SVTH: nhóm 11
Đồ án động cơ đốt trong
Lớp: DHOT3
8
Chú ý : Khi quay trục khuỷu thì quan sát cặp xupáp của máy song hành với máy 1
đang hé mở thì dừng lại (thời điểm xupáp hút của máy song hành bắt đầu đi xuống)
 Chia puly đầu trục khuỷu thành các phần theo góc lệch công tác
 Dùng clê nới đai ốc hãm vít điều chỉnh khe hở nhiệt. Dùng tuốcnơvít nới vít
điều chỉnh ra.
 Đưa căn lá đã chọn vào giữa đuôi xupáp và đầu cò mổ. Dùng tuốcnơvít văn vít
điều chỉnh vào đồng thời vừa xê dịch căn lá đến khi nào dịch chuyển căn lá thấy
hơi nặng tay thì dừng lại.
Chú ý: Khi điều chỉnh nên vặn vít điều chỉnh từ từ, mỗi lần vặn khoảng 1/8 vòng
hoặc ít hơn để tránh gây hư hỏng căn lá

 Đưa căn lá ra ngoài, dùng tuốcnơvít giữ cố định vít điều chỉnh, dùng clê vặn
chặt đai ốc hãm lại
Chú ý: Khi hãm ốc, không được để vít điều chỉnh xoay đi làm khe hở nhiệt bị sai
 Sau khi điều chỉnh xong, ta phải kiểm tra lại khe hở nhiệt. Nếu khe hở nhiệt
chưa đúng cần phải điều chỉnh lại
 Tiến hành điều chỉnh cho xupáp còn lại theo trình tự như trên
 Quay trục khuỷu đi một góc bằng góc lệch công tác (dấu vạch trên puly trùng
với dấu trên thân máy) để điều chỉnh khe hở nhiệt của máy tiếp theo
 Lần lượt tiến hành điều chỉnh khe hở nhiệt xupáp cho tất cả các máy
1.3.3.5 Điều chỉnh khe hở nhiệp xupáp theo phương pháp điều chỉnh hàng
loạt
a. Đặc điểm của phương pháp
 Tại cùng một thời điểm có thể điều chỉnh khe hở nhiệt của nhiều xupáp ở các
máy khác nhau.
 Trong toàn bộ quá trình điều chỉnh chỉ cần quay trục khuỷu một lần
 Quá trình điều chỉnh nhanh đặc biệt đối với động cơ nhiều xi lamh
Tuy vậy, phương pháp này đòi hỏi việc xác định các xupáp điều chỉnh ở mỗi thời
điểm phải chính xác, nếu không khe hở nhiệt sẽ bị sai lệch nhiều
b. Trình tự tiến hành
Lập bảng thứ tự làm việc của động cơ
GVHD: Hoàng Ngọc Dưong SVTH: nhóm 11
Đồ án động cơ đốt trong
Lớp: DHOT3
9
 Xác định thứ tự làm việc của động cơ
Ví dụ: Động cơ 4 xi lanh: 1-3-4-2
Động cơ 6 xi lanh: 1-5-3-6-2-4
Động cơ 8 xi lanh: 1-5-4-2-6-3-7-8 ....
 Xác định góc lệch công tác di = 1800.t/i
 Lập bảng trình tự làm việc của động cơ

 Xác định thời điểm điều chỉnh khe hở nhiệt và các xupáp điều chỉnh được ở các
thời điểm đó
 Thao tác điều chỉnh: giống như phương pháp điều chỉnh theo từng máy
 Sau khi điều chỉnh xong các xupáp ở thời điểm thứ nhất, ta quay trục khuỷu đi
một vòng (3600) để tiếp tục điều chỉnh cho các xupáp còn lại ở thời điểm thứ
hai.
Ví dụ:
Điều chỉnh khe hở nhiệt xupáp của động cơ 4 xi lanh có thứ tự làm việc 1-3-4-2
* Góc lệch công tác: di = 1800.t/i = 1800.4/4 = 1800
* Bảng trình tự làm việc và xác định các xupáp điều chỉnh
1.4 HỆ THỐNG LÀM MÁT
1.4.1 Lý do phải làm mát cho động cơ :
Hệ thống làm mát giữ cho động cơ làm việc hiệu quả trong mọi điều kiện hoạt
động cũng như ở mọi tốc độ. Nó cũng cho động cơ đạt được nhiệt độ làm việc bình
thường một cách nhanh nhất khi bắt đầu khởi động trong mùa đông giá rét. Và nó cũng
cung cấp nguồn nhiệt sưởi ấm vào trong khoang hành khách .
- Chúng tôi chon hệ thống làm mát bằng nước cưỡng bức tuần hoàn một vòng
kín vì loại này có nhiêu ưu điểm như áp suất nước cao , nhiệt độ bốc hơi cao, vì vậy
lượng nước bốc hơi chậm, giảm hao nước từ 6 – 8 lần so với loại kín.
1.4.2 Chọn loại nước làm mát ?
- Làm mát piston bằng ? làm mát vòi phun bằng ?
GVHD: Hoàng Ngọc Dưong SVTH: nhóm 11
Đồ án động cơ đốt trong
Lớp: DHOT3
10
Hình : Hệ thống làm mát bằng nước cưỡng bức tuần hoàn một vòng kín.
1.Thân máy; 2.Nắp xilanh ; 3.Đường nước ra khỏi động cơ ; 4.ống dẫn bọt nước ; 5.Van
hằng nhiệt ; 6.Nắp rót nước ; 7.Két làm mát ; 8. Quạt gió ; 9.Puly ; 10.Ống nước nối tắt
vào bơm; 11.Đường nước vào động cơ ; 12.Bơm nước ; 13.Két làm mát dầu; 14.Ống
phân phối nước.

Hình trên giới thiệu hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức một vòng kín của
động cơ máy kéo. Ở đây nước tuần hoàn nhờ bơm ly tâm 12, qua ống phân phối nước
14 phân phối vào các khoang chứa của xi lanh. Nước làm mát có nhiệt độ thấp được
bơm 12 hút tù bình chứa phía dưới của két 7 qua đường ống 10 rồi qua ống 13 đế làm
mát dầu sau đó vào động cơ. Để phân phối nước làm mát đều cho mỗi xi lanh, nước sau
khi bơm vào thân máy 1 chảy qua ống phân phối 14 đúc sẵn trong máy. Sau khi làm
mát xilanh, nước lên làm mát nắp máy rồi theo đường ống 3 ra khỏi động cơ với nhiệt
độ cao đến van hằng nhiệt 5. khi van hằng nhiệt mở, nước qua van van vào bình chứa
phía trên của két nước. Tiếp theo nước từ bình chứa phía trên đi qua các ống mỏng có
gắn cánh tản nhiệt. Tại đây nước được làm mát bởi dòng không khí qua két do quạt 8
tạo ra. Quạt được dẫn động bằng puly từ trục khuỷu của động cơ. Tại bình chứa phía
GVHD: Hoàng Ngọc Dưong SVTH: nhóm 11
Đồ án động cơ đốt trong
Lớp: DHOT3
11
dưới của két làm mát, nước có nhiệt độ thấp lại được bơm hút vào động cơ thực hiện
một chu trình làm mát tuần hoàn.
Hệ thống làm mát cưỡng bức một vòng kín, nước sau khi qua két làm mát lại trở
về động cơ do đó đỡ phải bổ sung nước, tận dụng được trở lại nguồn nước để làm mát
động cơ.
1.5 HỆ THỐNG BÔI TRƠN
1.5.1 Lý do phải bôi trơn cho động cơ :
Khi động cơ hoạt động các chi tiết chuyển động tương đối với nhau gây ra lực
ma sát, làm cho bề mặt các chi tiết nóng lên, gây mài mòn, giảm tuổi thọ của động cơ.
Vì vậy cần phải bôi trơn cho động cơ.
1.5.2 Nhiệm vụ của hệ thống bôi trơn:
 Cung cấp dầu bôi trơn đến các bề mặt làm việc, đảm bảo động cơ làm việc bình
thường và tăng tuổi thọ.
 Làm giảm ma sát
 Tẩy rửa các bề mặt ma sát

 Làm mát các bề mặt (lấy nhiệt)
 Bao kín
Chọn hệ thống bôi trơn bằng phương pháp cưỡng bức:
Hầu hết các động cơ đốt trong ngày nay đều sử dụng hệ thống bôi trơn cuwngx
bức. Dầu bôi trơn trong hệ thống bôi trơn được bơm dầu đẩy đến các bềmặt ma sát dưới
một áp suất nhật định do đó hoàn toàn có thể đảm bảo yêu cầu bôi trơn, làm mát và tẩy
rửa bề mặt ma sát của ổ trục. Tùy theo vị trí chứa dầu nhờn, hệ thống bôi trơn chia làm
2 loại:
- Hệ thống bôi trơn cacte ướt: dầu bôi trơn chứa trong cacte
- Hệ thống bôi trơn cacte khô: dầu bôi trơn chứa trong thùng ngoài cacte.
Hệ thống bôi trơn cưỡng bức cacte ướt:
GVHD: Hoàng Ngọc Dưong SVTH: nhóm 11