Bài giảng kết cấu và tính toán động cơ đốt trong chương 7 HV kỹ thuật quân sự

CHƯƠNG 7. NHÓM PÍT TÔNG
7.1. NHIỆM VỤ, ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC, YÊU CẦU VÀ
VẬT LIỆU CHẾ TẠO PÍT TÔNG
7.2. ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU CỦA PÍT TÔNG
7.3. TÍNH TOÁN BỀN PÍT TÔNG
7.4. KẾT CẤU, PHƯƠNG ÁN LẮP GHÉP VÀ TÍNH BỀN
CHỐT PÍT TÔNG
7.5. XÉC MĂNG


7.1. Nhiệm vụ, điều kiện làm việc, yêu cầu và vật liệu chế tạo pít tông
7.1.1. Nhiệm vụ của nhóm pít tông
- Cùng với lót XL, nắp máy tạo thành buồng cháy cho ĐC
- Tiếp nhận lực khí thể, truyền cho TT làm quay TK và ngược lại tiếp nhận
lực từ TK (của bánh đà hoặc XL khác) trong các kỳ tiêu thụ công (nạp, nén,
thải).
- Nhận nhiệt từ môi chất công tác truyền qua xéc măng tới lót XL cho môi
chất làm mát.
- Bao kín buồng cháy (ngăn khí lọt xuống các-te và dầu nhờn sục lên BC)
- Đối với ĐC 2 kỳ, PT có tác dụng như một van trượt làm nhiệm vụ đóng mở
cửa nạp (thải).


7.1.2. Điều kiện làm việc của pít tông
- Tải trọng cơ học
+ Lực khí thể lớn (đạt áp suất 130 bar), tốc độ biến thiên cao (cuối kỳ nén đầu
kỳ cháy giãn nở), có tính chu kỳ (360 hoặc 720 oGQTK).
+ Lực quán tính lớn (nhất là ĐC cao tốc)
+ Lực ngang
+ Lực ma sát
 gây nên ứng suất lớn, làm biến dạng PT và có thể làm hư hỏng PT.

- Tải trọng nhiệt
PT trực tiếp tiếp xúc với sản vật cháy có nhiệt độ rất cao (2300-2800 K)
 nhiệt độ phần đỉnh PT cao (500-800 K); dễ gây ra các tác hại:


+ US nhiệt lớn, rạn nứt PT.
+ Giảm cơ tính vật liệu chế tạo pít tông.
+ Biến dạng lớn làm bó kẹt pít tông trong XL, tăng ma sát PT-XL
+ Giảm hệ số nạp  giảm công suất ĐC
+ Phân hủy dầu nhờn nhanh
+ Dễ gây kích nổ với ĐC xăng.
- Mài mòn cơ học và ăn mòn hóc học
+ Do lực ngang N ép PT và thành XL, do biến dạng của PT dưới tác dụng của
tải cơ học và tải trọng nhiệt, do thiếu dầu bôi trơn  tăng ma sát và mài mòn
của PT.
+ Do PT tiếp xúc trực tiếp với sản vật cháy và dầu bôi trơn có chứa các a xít
 PT bị ăn mòn hoá học


7.1.3. Yêu cầu của PT
- Đỉnh PT phải tạo ra hình dạng buồng cháy tốt nhất
- Đảm bảo điều kiện bền, cứng vững
- Tản nhiệt tốt để tránh kích nổ, tăng hệ số nạp, giảm trường nhiệt độ, ứng
suất nhiệt
- Khối lượng nhỏ
- Đảm bảo bao kín buồng cháy
- Chịu mài mòn, va đập
- Giãn nở ít

7.1.4. Vật liệu chế tạo
Yêu cầu về vật liệu:
- Có SB ở nhiệt độ cao; trọng lượng riêng nhỏ
- Hệ số giãn nở nhỏ, hệ số dẫn nhiệt lớn.
- Cơ tính vật liệu giảm ít khi nhiệt độ tăng
- Chịu mòn tốt trong điều kiện bôi trơn kém và nhiệt độ cao
- Chịu được ăn mòn hoá học
- Tính công nghệ tốt
Vật liệu thường dùng:
- Gang (gang hợp kim-gang xám, gang dẻo-gang rèn, gang graphit-gang cầu):
chế tạo PT ĐC thấp tốc.
- Thép hợp kim: ít dùng (dẫn nhiệt kém, tính đúc kém)
- Hợp kim nhẹ (HK nhôm và HK manhê): chế tạo PT ĐC cao tốc.


Hợp kim nhẹ

Gang
Ưu điểm

Ưu điểm

- Độ bền cao, chịu mài mòn tốt

- Khối lượng riêng bé

- Độ bền giảm ít khi nhiệt độ tăng

- Tính dẫn nhiệt tốt

- Hệ số giãn nở nhỏ

- Tính công nghệ tốt

- Tính công nghệ tốt (đúc, gia công)

- Hệ số ma sát với gang nhỏ

(trừ gang graphit)

Nhược điểm

- Giá thành rẻ

- Độ bền kém, chịu mài mòn kém

Nhược điểm

- Độ bền giảm mạnh khi nhiệt độ

- Khối lượng riêng lớn

tăng

- Dẫn nhiệt kém

- Hệ số giãn nở lớn

- Ở nhiệt độ quá cao, cơ tính kém

- Giá thành đắt

- Tính công nghệ của gang graphit kém

- Tính công nghệ của HK manhê kém


Biện pháp nâng cao cơ tính của PT sử dụng vật liệu HK nhôm:
- Nhiệt luyện tốt, xử lý ô xít hóa (ngâm PT trong dung dich 3% Cr2O3)
- Dùng HK nhôm rèn
- Tăng chiều dày
- Thêm nguyên tố Si để giảm hệ số giãn nở
- Dùng các biện pháp công nghệ (xẻ rãnh, thân hình ô van, vành cản nhiệt,
gân tăng cứng, khoét bớt vật liệu ở 2 đầu bệ chốt…)


7.2. Kết cấu pít tông

Hình 6.1. Kết cấu pít tông.
1 - Đỉnh pít tông

2 - Đầu pít tông

4 - Rãnh lắp xéc măng khí 5 - Rãnh lắp xéc măng dầu
chốt pít tông
7 - Đuôi (chân) pít tông

8 - Vùng đai xéc măng

3 - Thân pít tông

6 - Bệ


7.2.1. Đỉnh pít tông

Hình 6.2. Các dạng kết cấu đỉnh pít tông.


Các yêu cầu khi thiết kế đỉnh PT:
- Có hình dạng thích hợp để tạo hỗn hợp cháy tốt nhất (xoáy lốc, phối hợp với
chùm tia phun, cháy thể tích/màng) để đạt các chỉ tiêu kinh tế - năng lượng cao
- Tỷ số diện tích buồng cháy/thể tích
buồng cháy nhỏ để giảm tổn thất
nhiệt, phụ tải nhiệt, tăng hệ số nạp
- Tổ chức truyền nhiệt tốt (góc lượn,
gân tản nhiệt, làm mát…)
- Phối hợp với các chi tiết,
bộ phận khác: xu páp, vòi phun,
bugi… tránh va chạm

Hình 6.3. Piston động cơ B2/B6 (đỉnh khoét lỗ tránh va chạm với xu páp)


Hình 6.4. Đỉnh piston dạng chỏm cầu


Hình 6.5. Các dạng kết cấu đỉnh pít tông.


7.2.2. Đầu pít tông

- Bao kín buồng cháy
- Bố trí rãnh xéc măng khí, xéc măng dầu phía trên
- Nhận nhiệt từ môi chất công tác và truyền qua đai xéc măng – xéc măng –
lót XL – môi chất làm mát
- Các yêu cầu khi thiết kế phần đầu PT:
+ Tản nhiệt tốt
+ Bao kín tốt
+ Đảm bảo độ bền, độ cứng vững


Hình 6.6. Dòng nhiệt truyền trong pít tông


7.2.2.1 Tản nhiệt

Hình 6.7. Các phương án toả nhiệt cho pít tông.
a -Tăng bán kính chuyển tiếp giữa đỉnh và đầu.

b - Dùng gân tản nhiệt.

c - Dùng rãnh ngăn nhiệt để giảm nhiệt truyền cho xéc măng thứ nhất.
d - Làm mát bằng dầu bôi trơn.


Hình 6.8. Phương án thiết kế mới để giảm nhiệt độ cho pít tông.


Hình 6.9. Pít tông động cơ 40D
Làm mát bằng dầu bôi trơn

Hình 6.10. Pít tông động cơ 61B4
Làm mát bằng dầu bôi trơn


Hình 6.11. Các dạng bố trí gân tản nhiệt


Hình 6.12. Vị trí xéc măng khí thứ nhất


Hình 6.13. Phun dầu trực tiếp vào lỗ làm mát đỉnh PT
(ĐC Sulzer)


Hình 6.14. Sử dụng vật liệu cách nhiệt trên đỉnh PT
(ĐC MAN B&W)


7.2.2.2. Bao kín
* Số lượng xéc măng:
- Động cơ xăng:
3 – 4 xéc măng khí
1 – 2 xéc măng dầu
- Động cơ diesel cao tốc:
3 – 6 xéc măng khí
1 – 3 xéc măng dầu
- Động cơ diesel thấp tốc:
5 – 7 xéc măng khí
1 – 4 xéc măng dầu

Các xéc măng có thể quay tự do trong rãnh xéc măng


* Khe hở giữa đầu PT và XL:
Đường kính phần đầu PT nhỏ hơn đường kính phần thân

Hình 6.15. Đường kính phần đầu và thân PT