Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu piston đến trạng thái bôi trơn, ma sát, tiếng gõ, sự làm việc của hệ thống trao đổi khí của động cơ

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ tên : Nguyễn Viết HơnLớp: 49KTOT
Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Ô Tô Mã ngành:
Tên đề tài : Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu piston đến trạng thái bôi trơn, ma
sát, tiếng gõ, sự làm việc của hệ thống trao đổi khí của động cơ
Số trang: 94 Số chương: 4 Tài liệu tham khảo:20
Hiện vật: Một Piston, ba quyển báo cáo và một CD chứa nội dung đề tài .......................
............................................................................................................................................

Nhận xét
.....................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................
Kết luận: ...................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................






Nha trang, ngày… tháng … năm 2011
Cán bộ hướng dẫn
(Kí và ghi rõ họ tên)

Nha trang, ngày … tháng … năm 2011
Chủ tịch hội đồng
(Kí và ghi rõ họ tên)
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

Họ tên : Nguyễn Viết HơnLớp: 49KTOT
Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Ô Tô Mã ngành:
Tên đề tài : Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu piston đến trạng thái bôi trơn, ma
sát, tiếng gõ, sự làm việc của hệ thống trao đổi khí của động cơ
Số trang: 94 Số chương: 4 Tài liệu tham khảo:20
Hiện vật: Một Piston, ba quyển báo cáo và một CD chứa nội dung đề tài .......................
............................................................................................................................................

Nhận xét
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
Kết luận:
.................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................






Điểm phản biện:

Nha trang, ngày… tháng … năm 2011
Cán bộ phản biện
(Kí và ghi rõ họ tên)
Điểm chung
Bằng số Bằng chữ


-i-

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đồ án này, trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn tới TS Lê Bá Khang đã
tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập và thực hiện Đồ án.
Em chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Nhận, Ths. Huỳnh Trọng Chương, GV
Trần Ngọc Anh đã giúp đỡ em.
Xin chân thành cảm ơn Phó giám đốc Võ Tá Dũng - Công ty Sao Mai Anh đã tạo điều
kiện thuận lợi để em thực hiện khảo sát các số liệu thực tế phục vụ Đồ án tốt nghiệp.

-ii-
MỤC LỤC

Lời cảm ơn...............................................................................................................i
Mục lục...................................................................................................................ii
Danh mục hình ảnh................................................................................................iv
Danh mục bảng.....................................................................................................vii
Danh mục các kí hiệu ..........................................................................................viii
Từ khóa................................................................................................................... x
Lời nói đầu ............................................................................................................ 1

Chương 1 ............................................................................................................... 3
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ, MA SÁT, BÔI TRƠN TRONG ĐỘNG CƠ
ĐỐT TRONG........................................................................................................3
1.1. ĐỊNH NGHĨA ................................................................................................ 3
1.2. CẤU TRÚC TỔNG QUÁT CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG....................3

1.2.1. Cơ cấu truyền lực.......................................................................................... 4
1.2.2. Hệ thống trao đổi khí.................................................................................... 6
1.2.3. Hệ thống bôi trơn.......................................................................................... 6
1.3. MA SÁT, BÔI TRƠN TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG.......................7
1.3.1. Tổng quan ma sát, bôi trơn trong động cơ đốt trong....................................7
1.3.2. Ma sát trong hệ piston xilanh ....................................................................... 9
1.3.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến ma sát, bôi trơn trong cặp tiếp xúc váy
piston-xilanh. ........................................................................................................ 14

Chương 2 ............................................................................................................. 17
ĐỘNG LỰC HỌC NHÓM PISTON THANH TRUYỀN KHI NGHIÊN
CỨU PISTON CHUYỂN ĐỘNG PHỤ .......................................................... 17
2.1. GIỚI THIỆU................................................................................................ 17
2.1.1. Giới thiệu.................................................................................................... 17
2.1.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến chuyển động phụ. ..........................................19
2.2. ĐỘNG LỰC HỌC PISTON ....................................................................... 19
-iii-
2.2.1. Phương trình cân bằng lực và mô men tác động lên piston. ...................... 19
2.2.2. Lực dọc và lực ma sát của vòng găng-piston, F
Q
, F
R
. ................................ 23
2.2.3. Mô men ma sát. .......................................................................................... 23
2.2.4. Lực tác động từ xilanh F
T
, F
A
..................................................................... 24
2.2.5. Ma sát váy-xilanh F

fT
, F
fA
, M
fT
, M
fA
.........................................................25

Chương 3 ............................................................................................................ 27
ẢNH HƯỞNG CẤU TẠO CỦA PISTON ĐẾN TRẠNG THÁI BÔI
TRƠN, MA SÁT, TIẾNG GÕ VÀ GÓC PHỐI KHÍ CỦA ĐỘNG CƠ ........27
3.1. GIỚI THIỆU................................................................................................ 27
3.2. ẢNH HƯỞNG CỦA LỆCH ẮC PISTON ................................................. 28
3.2.1. Ảnh hưởng của lệch ắc piston đến chuyển động phụ của piston................28
3.2.2. Kết quả khảo sát độ lệch ắc piston trên thực tế .......................................... 29
3.2.3. Động lực học piston có độ lệch ắc.............................................................. 31
3.2.4. Phân tích ảnh hưởng của độ lệch ắc đến ma sát, tiếng gõ, bôi trơn. .......... 33
3.2.5. Ảnh hưởng của độ lệch ắc đến sự làm việc của hệ thống trao đổi khí.......45
3.3. ẢNH HƯỞNG CỦA BIÊN DẠNG VÁY CỦA PISTON ĐẾN MA
SÁT VÀ TIẾNG GÕ .......................................................................................... 50
3.3.1. Ảnh hưởng của biên dạng váy cong. ......................................................... 50
3.3.2. Ảnh hưởng của bề mặt biên dạng váy. ....................................................... 60
3.3.3. Ảnh hưởng của biên dạng piston ovan. ..................................................... 71
3.4. ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ ĐỘ LỆCH TRỌNG TÂM C
g
. ..........75
3.4.1. Giới thiệu.................................................................................................... 75
3.4.2. Động lực học piston khi có độ lệch C
g

.......................................................76
3.4.2. Kết quả khảo sát từ mô hình của Alessandro Ruggiero và Adolfo
enatore. ................................................................................................................. 78
Chương 4 ............................................................................................................. 82
KẾT LUẬN, ĐỀ XUẤT ..................................................................................... 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 83
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 85
-iv-
DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Kết cấu động cơ diesel hai kỳ................................................................3
Hình 1.2: Cơ cấu truyền lực ................................................................................... 4
Hình 1.3: Cơ cấu phân phối khí trong động cơ xăng V6 1G-FE............................ 6
Hình 1.4: Đường cong stribeck ............................................................................. 8
Hình 1.5 Phần trăm các thành phần của tổn thất ma sát......................................... 8
Hình 1.6: Thể hiện thành phần tổn thất ma sát ở cụm piston
vòng găng, thanh truyền ......................................................................................... 9
Hình 1.7: Hệ piston, xilanh, thanh truyền ............................................................ 9
Hình 1.8: Điều kiện bôi trơn ở vòng găng ........................................................... 10
Hình 1.9: Các kiểu bôi trơn hình thành trong hệ piston xilanh ...........................10
Hình 1.10: Bôi trơn thủy động giữa váy và xilanh ..............................................11
Hình 1.11: Đường cong stribeck ......................................................................... 14
Hình 2.1: Các thông số mô tả chuyển động phụ ................................................. 17
Hình 2.2: Chuyển động ngang của piston ........................................................... 18
Hình 2.3: Lực bên từ chốt đến váy piston ........................................................... 18
Hình 2.4: Lực và mô men tác động lên piston .................................................... 19
Hình 2.5: Chuyển vị của piston theo phương ngang ........................................... 22
Hình 3.1: Piston không có độ lệch ắc và có độ lệch ắc .......................................28
Hình 3.2: Dụng cụ đo ........................................................................................... 29
Hình 3.3: Tiến hành đo......................................................................................... 29

Hình 3.4: Lực và mô men tác động lên piston có độ lệch ắc âm ........................31
Hình 3.5: Đồ thị gia tốc của piston khi chuyển động trong xilanh....................... 33
Hình 3.6: Thể hiện trạng thái của piston ở khu vực điểm chết trên và gần
điểm chết trên trong kì nén và giãn nở ................................................................34
Hình 3.7: Độ dịch chuyển của đỉnh và đáy của piston và góc nghiêng piston .... 35
Hình 3.8: Quy ước sử dụng trong nghiên cứu ..................................................... 36
Hình 3.9: Đường cong lực bên tác dụng lên váy thông qua chốt piston .............37
Hình 3.10: Chuyển động ngang của piston theo lực ngang không thứ nguyên .. 38
Hình 3.11: Chiều dày màng dầu nhỏ nhất của bên va đập và chống va đập .......38
Hình 3.12: Lực bên và tổng lực thủy động .......................................................... 39
-v-
Hình 3.13: Các lực thủy động phía bên va đập ................................................... 39
Hình 3.14 Các lực thủy động phía bên chống va đập .......................................... 40
Hình 3.15: Chuyển động quay của piston ........................................................... 40
Hình 3.16: Các mô men bên phía va đập ............................................................. 41
Hình 3.17: Các mô men thủy động bên phía chống va đập ................................. 41
Hình 3.18: Thể hiện ảnh hưởng của độ lệch ắc đến va đập bên .......................... 42
Hình 3.19: Lực va đập bên với động cơ có piston lệch ắc C
p
=-1mm .................43
Hình 3.20: Lực va đập bên với động cơ không có độ lệch ắc ............................. 44
Hình 3.21: Thể hiện mối quan hệ giữa lệch ắc và tiếng ồn giữa kết quả đo
được ..................................................................................................................... 45
Hình 3.22: Hệ piston trục khuỷu thanh truyền đồng tâm ................................... 45
Hình 3.23: Hệ piston trục khuỷu thanh truyền có độ lệch ắc trái. .......................46
Hình 3.24: Dấu trên bánh răng trục khuỷu trùng với dấu trên xích .................... 49
Hình 3.25: Biểu đồ góc phối khí khi piston có độ lệch ắc lắp đúng và lắp sai .... 49
Hình 3.26: Lực và mô men tác động lên piston biên dạng cong ......................... 51
Hình 3.27: Ảnh hưởng của biên dạng váy đến mô men thủy động .....................53
Hình 3.28: Động cơ Waukesha tại phòng thí nghiệm .......................................... 55

Hình 3.29: Thiết bị đo mức tiêu thụ dầu bôi trơn.................................................55
Hình 3.30: Các kiểu biên dạng của piston ........................................................... 55
Hình 3.31: Thể hiện sự so sánh khu vực ướt của hai loại biên dạng khác nhau .56
Hình 3.32: So sánh áp suất phân bố trên hai biên dạng .......................................57
Hình 3.33: Diện tích ướt theo góc quay trục khuỷu của các loại biên dạng .......57
Hình 3.34: Biên dạng với sự phân tách nhỏ nhất giữa váy và xilanh .................. 58
Hình 3.35: Lực tiếp xúc bên phía va đập của xianh ............................................ 59
Hình 3.36: Đường cong Stribeck .........................................................................59
Hình 3.37: Thông số hình học của vòng găng ..................................................... 60
Hình 3.38: Các biên dạng váy được khảo sát ...................................................... 61
Hình 3.39: Cửa sổ quan sát màng dầu trên xilanh ............................................... 61
Hình 3.40: Kết quả lực ma sát của các biên dạng theo góc quay ........................ 62
Hình 3.41: Lực ma sát và tổn thất ma sát trong suốt hành trình nạp ...................63
Hình 3.42: Hình ảnh loang dầu ở các loại biên dạng trong kì nạp ......................63
Hình 3.43: Lực ma sát và tổn thất ma sát trong hành trình nén ..........................64
-vi-
Hình 3.44: Hình ảnh loang dầu ở các loại biên dạng trong kì nén ......................65
Hình 3.45: Lực ma sát và tổn thất ma sát trong hành trình giãn nở .................... 66
Hình 3.46: Hình ảnh loang dầu ở các loại biên dạng trong kì giãn nở ................ 67
Hình 3.47: Thể hiện lực ma sát và tổn thất ma sát trong suốt hành trình xả........ 68
Hình 3.48: Hình ảnh loang dầu ở các loại biên dạng trong kì xả ........................69
Hình 3.49: Ảnh hưởng của biên dạng đến ma sát ............................................... 70
Hình 3.50: Tiếng ồn của các loại biên dạng ........................................................70
Hinh 3.51: Piston có biên dạng ovan ................................................................... 71
Hình 3.52: Mặt cắt ngang của piston thể hiện các độ ovan khác nhau ............... 72
Hình 3.53: Độ ovan khác nhau ảnh hưởng đến tổn thất ma sát ........................... 73
Hình 3.54: Ma sát thủy động với độ ovan ........................................................... 73
Hình 3.55: Ảnh hưởng của các độ ovan đến chuyển động bên............................ 74
Hình 3.56: Thể hiện lực tương tác giữa váy và xilanh ........................................ 74
Hình 3.57: Hình ảnh đường đi của piston trong một chu trình ............................ 76

Hình 3.58: Lực và mô men tác dụng lên piston có độ lệch tâm .......................... 77
Hình 3.59: Sự tiếp xúc ban đầu của váy piston vào bên chống va đập
của thành xilanh ................................................................................................... 78
Hình 3.60: Lực va đập bên ở cả phía va đập và chống va đập khi C
g
=0 ............. 79
Hình 3.61: Lực va đập bên ở cả phía va đập và chống va đập khi C
g
= 4mm .....79
Hình 3.62: Lực va đập bên ở cả phía va đập và chống va đập khi C
g
= 8 mm .... 80
Hình 3.63: Lực va đập bên ở cả phía va đập và chống va đập khi C
g
= 12 mm ...........80
Hình 3.64: Lực va đập bên ở cả phía va đập và chống va đập khi C
g
= 16 mm ...........80
Hình A.1: Bên trong xưởng dịch vụ GM-Kia ...................................................... 85
Hình A.2: Hệ thống chẩn đoán lỗi toàn cầu ......................................................... 86
Hình A.3: Máy Scan đa năng ............................................................................... 86
Hình A.4: Tham gia chẩn đoán trên máy C-100 .................................................. 87
Hình A.5: Bôi trơn thủy động giữa vòng găng và xilanh..................................... 88


-vii-
DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Thông số và điều kiện hoạt động trong nghiên cứu của Conor P.
McNally [5] ..................................................................................................................36

Bảng 3.2: Thông số kĩ thuật của động Waukesha ........................................................54
Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật chính của động cơ ..........................................................60
Bảng 3.4: Thông số của piston .....................................................................................60
Bảng 3.5: Điều kiện thực nghiệm..................................................................................61
Bảng 3.6: Thông số hình học và dữ liệu hoạt động cho mô hình .................................79





















-viii-
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU

a- khoảng cách từ đỉnh váy đến tâm chốt.

Th
A
- tổng diện tích đỡ bởi màng dầu
Tc
A - tổng diện tích ma sát giới hạn

b- khoảng cách từ đỉnh váy đến trọng tâm.
C
g
- độ lệch trọng tâm khối lượng piston.
C
p
- độ lệch ắc trái (độ lệch âm)
e
b
- chuyển vị ngang của đáy váy
e
t
- chuyển vị ngang của đỉnh váy
F
T
,F
A
- phản lực pháp tuyến do tiếp xúc piston-xilanh.
h
r
- khe hở bên vòng găng đỉnh.
l
j
- khoảng cách từ tâm đến các vòng găng.

F
fA
,F
fT
- lực ma sát giữa váy piston với xilanh.
l
F
- lực tác dụng thanh truyền.
F
g
- lực khí thể.
F
IC
, F
IP
- lực quán tính theo phương ngang tác động lên chốt và trọng tâm của
piston.
IC
F
,
IP
F
- lực quán tính tác động theo phương thẳng đứng lên chốt và trọng tâm.
F
FTh
- lực ma sát thủy động
F
Qj
- lực dọc giữa piston và vòng găng
F

Rj
- lực ma sát ngang từ vòng găng tác dụng lên piston.
L- chiều dài của váy
L
r
- chu vi của vòng găng.
M
IP
- mô men quán tính.
M
pp
- mô men ma sát ở chốt piston.
M
IC
- mô men quán tính tác động lên trọng tâm piston.
M
FTh
- mô men ma sát thủy động
m
r
- khối lượng vòng găng
P
h
- áp suất thủy động.
-ix-
P
w
- áp suất tiếp xúc trên toàn bộ diện tích.
w
p

- áp suất tiếp xúc cục bộ.
R
p
- bán kính chốt piston.
U- tốc độ piston
W
r
- bề rộng theo mặt cắt hướng kính
V
S
- thể tích công tác
β-hệ số phụ thuộc vào diện tích của màng dầu treeb váy piston.
µ
ring-piston
hệ số ma sát giữa piston và vòng găng.
Φ- độ nghiêng của piston
Φ
x
, Φ
y
- các nhân tố áp suất dòng.
Φ
s
- nhân tố dòng chảy trượt
Ω - độ sóng bề mặt
σ - độ nhám bề mặt.
Φ
f
, Φ
fs

, Φ
fp
- nhân tố ứng suất trượt trung bình
τ
- ứng suất trượt.
µ- độ nhớt
f
µ
- hệ số ma sát giữa váy và thành xilanh





-x-
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TỪ KHÓA

ĐCĐT: Động cơ đốt trong
ĐCT: Điểm chết trên
ĐCD: Điểm chết dưới
FMEP- Friction Measure Effective Pressure : Áp suất tổn thất do ma sát
trung bình
IMEP- Indicate Meansure Effective Pressure: Áp suất chỉ thị trung bình
BMEP- Brake Meansure Effective Pressure: Áp suất có ích
PMEP- Pumping Meansure Effective Pressure: Áp suất trung bình tổn thất
do bơm
TDC- Top dead center: Điểm chết trên
BDC- Bottom dead center: Điểm chết dưới
Anti-thrust side: Bên chống va đập
Boundary lubrication: Bôi trơn giới hạn

Eccentric piston: Piston lệch tâm
Hydrodynamic lubrication: Bôi trơn thủy động
Lateral force: Lực ngang
Lateral displacement: Dịch chuyển ngang của piston
Mixed lubrication: Bôi trơn hỗn hợp
Side impact: Va đập bên
Secondary movement of piston: Chuyển động phụ của piston
Skirt profile: Biên dạng váy piston
Thrust-side: Bên va đập
Wrist pin offset: Độ lệch ắc




-1-
MỞ ĐẦU

Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, nhận thức của xã hội về môi
trường được nâng cao. Sự tăng nhanh về số lượng các phương tiện giao thông sử
dụng nhiên liệu truyền thống, làm nồng độ carbon dioxide trong khí quyển gia tăng,
kết quả làm trái đất nóng lên, cùng với đó là sự cạn kiệt dần của nguồn nhiên liệu
hóa thạch. Điều này đã đặt ra thách thức cho các nhà chế tạo trong lĩnh vực động cơ,
nghiên cứu nhằm mục đích giảm lượng khí thải, nâng cao hiệu suất, tiết kiệm nhiên
liệu động cơ.
Từ nhiều nghiên cứu trên cơ sở thực nghiệm và lý thuyết, đã chứng minh rằng
ma sát trong cụm piston xilanh là nhân tố chính có ảnh hưởng lớn đến năng lượng
tổn thất, trong đó ma sát giữa các vòng găng-xilanh và váy-xilanh là nhiều nhất.
Ngoài ra nó cũng được xác nhận là một trong số nhân tố gây ra tiếng ồn, tiếng gõ và
tăng mức độ ô nhiễm khí thải.
Nhằm giảm ô nhiễm môi trường do khí thải, cũng như tiếng ồn từ động cơ. Các

nhà khoa học đã có những nghiên cứu cải tiến hệ thống nhiên liệu, bôi trơn, làm mát,
vật liệu… đồng thời nghiên cứu thay đổi các thông số hình học của piston như biên
dạng váy, độ lệch tâm chốt, lệch trọng tâm…
Và để tiếp cận nâng cao sự hiểu biết về lĩnh vực này em đã chọn và được Bộ
môn Kỹ thuật ô tô, Khoa cơ khí giao thực hiện đề tài “Nguyên cứu ảnh hưởng của
kết cấu piston đến trạng thái bôi trơn, ma sát, tiếng gõ và góc phối khí của động
cơ”.
Sau một thời gian nỗ lực cố gắng tìm hiểu nghiên cứu, dịch thuật tài liệu, và đi
thực tế gần ba tháng (Phụ lục 1) cùng với sự dẫn dắt của thầy hướng dẫn TS. Lê Bá
Khang, đến nay em đã hoàn thành cơ bản các nội dung của Đồ án tốt nghiệp.
Mục đích của Đồ án
Phân tích sự ảnh hưởng của các thông số kết cấu của piston đến trạng thái bôi
trơn, ma sát, tiếng ồn, hệ thống phân phối khí khi lắp sai piston có độ lệch ắc. Qua
đó góp phần nâng cao sự hiểu biết về động cơ đốt trong về mặt lý thuyết cũng như
sử dụng thực tế cho sinh viên ngành Kỹ thuật ô tô.

-2-
Nội dung của Đồ án được trình bày trong bốn chương:
Chương 1: Tổng quan về động cơ, ma sát, bôi trơn trong động cơ đốt trong
Chương 2: Động lực học nhóm piston thanh truyền khi nghiên cứu piston
chuyển động phụ
Chương 3: Ảnh hưởng cấu tạo của piston đến trạng thái bôi trơn, ma sát, tiếng gõ và
góc phối khí của động cơ
Chương 4: Kết luận và đề xuất
Điểm mới của đồ án.
Khác với nhiều đề tài trước, đề tài này đã đi sâu vào nghiên cứu và trình bày:
1. Chuyển động phụ của piston trong xilanh động cơ;
2. Làm rõ trạng thái bôi trơn trong cặp tiếp xúc piston-xilanh động cơ;
3. Độ lệch tâm chốt, biên dạng váy, trọng tâm piston đến tiếng gõ, ma sát động
cơ;

4. Ảnh hưởng của độ nhớt, màng dầu bôi trơn đến ma sát trong động cơ;
5. Ảnh hưởng của tốc độ đến chuyển động phụ, ma sát trong động cơ;
Các vấn đề này hiện tài liệu trong nước và quá trình học tập rất ít được đề cập. Em
hy vọng đề tài có thể góp phần vào sự nâng cao hiểu biết thêm của sinh viên về lĩnh
vực động cơ đốt trong.
Do kiến thức bản thân và thời gian có hạn nên đề tài khó tránh khỏi thiếu sót.
Kính mong Quý thầy cùng các bạn sinh viên góp ý để bổ xung đề tài được hoàn
thiện hơn.

Em chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Viết Hơn



-3-
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ, MA SÁT, BÔI TRƠN TRONG
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.1. ĐỊNH NGHĨA
Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt - loại động cơ biến đổi nhiệt năng
thành cơ năng. Các loại động cơ nhiệt phổ biến hiện nay không nhận nhiệt năng từ
bên ngoài một cách trực tiếp mà được cấp nhiên liệu, sau đó nhiên liệu được đốt
cháy để tạo ra nhiệt năng [1]. Thông thường nghiên cứu động cơ đốt trong cổ điển
loại piston thanh truyền có piston chuyển động tịnh tiến trong xilanh.
1.2. CẤU TRÚC TỔNG QUÁT CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Tổng thành động cơ đốt trong được trình bày trên hình 1.1.

Hình 1.1: Kết cấu động cơ xăng
Động cơ đốt trong bao gồm các cơ cấu và bộ phận chính sau:
1. Các bộ phận cố định
2. Cơ cấu truyền lực
-4-
3. Hệ thống trao đổi khí
4. Hệ thống nhiên liệu
5. Hệ thống bôi trơn
6. Hệ thống làm mát
7. Hệ thống khởi động
Sau đây xin đề cập một số cơ cấu bộ phận có liên quan mật thiết đến nội dung thực
hiện Đồ án
1.2.1. Cơ cấu truyền lực
Cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu và bánh đà có tác dụng biến chuyển
động tịnh tiến của Piston thành chuyển động quay của trục khuỷu và ngược lại [1].

Hình 1.2: Cơ cấu truyền lực
1) Nhóm piston
Piston góp phần cùng với các chi tiết trong nhóm piston, lót xylanh, nắp
xylanh tạo thành không gian công tác của động cơ.
Piston nhận áp lực khí thể từ phía đỉnh truyền tới trục khuỷu qua thanh truyền và
ngược lại. Piston có nhiệm vụ hút khí mới vào không gian công tác của động cơ,
nén hỗn hợp môi chất công tác và xả khí cháy ra ngoài.
Piston còn có nhiệm vụ truyền nhiệt khí cháy qua vòng găng đến xylanh và truyền
ra môi trường.
Đối với động cơ hai kỳ piston có vai trò đóng mở cửa nạp, cửa xả. Ngoài ra,
piston cùng với vòng găng làm kín không gian công tác của động cơ đốt trong, đảm
bảo khí không lọt xuống cacte và dầu bôi trơn lọt lên buồng đốt là ít nhất.
-5-
Vì piston làm việc trong điều kiện rất phức tạp và khắc nghiệt nên yêu cầu piston:

Phải chịu được ứng suất cơ và ứng suất nhiệt, không bị biến dạng, chịu được ma sát
và mài mòn.
Hệ số giãn nở vì nhiệt của piston phải nhỏ, truyền nhiệt nhanh, khe hở lắp ráp chính
xác, đủ độ cứng, độ bóng.
2) Thanh truyền
Thanh truyền có nhiệm vụ nhận lực khí cháy từ piston truyền cho trục khuỷu
biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu.
Thanh truyền làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, chịu áp lực, chịu lắc và va đập,
chịu ứng suất cơ lớn, chịu ăn mòn hoá học do dầu bôi trơn biến chất ở nhiệt độ cao,
chịu mài mòn ở các ổ đỡ (bạc lót đầu trên, bạc lót đầu dưới). Thanh truyền phải có
độ bền và tính tin cậy cần thiết.
3) Trục khuỷu
Trục khuỷu là một trong những chi tiết máy quan trọng nhất của động cơ đốt
trong, cường độ làm việc lớn nhất và giá thành cao nhất của động cơ đốt trong.
Công dụng của trục khuỷu là tiếp nhận lực tác dụng trên piston truyền qua thanh
truyền và biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục
khuỷu để truyền công suất ra ngoài.
Trong quá trình làm việc, trục khuỷu chịu tác dụng của lực khí cháy, lực quán
tính. Các lực tác dụng gây ra ứng suất uốn và xoắn trục, đồng thời còn gây ra hiện
tượng dao động dọc và dao động xoắn, làm động cơ rung động và mất cân bằng.
Ngoài ra các lực nói trên còn gây ra hao mòn lớn trên các bề mặt ma sát của cổ
chính và cổ biên.
Tuổi thọ của động cơ chủ yếu phụ thuộc vào tuổi thọ của trục khuỷu vì vậy đối
với kết cấu của trục khuỷu, phải chú ý đảm bảo các yêu cầu sau:
Có sức bền lớn, độ cứng vững lớn, trọng lượng nhỏ và ít mòn.
Có độ chính xác gia công cao, bề mặt làm việc của trục cần có độ bóng bề mặt, độ
cứng cao.
Không xảy ra hiện tượng dao động cộng hưởng trong phạm vi tốc độ sử dụng.
Kết cấu của trục khuỷu phải đảm bảo tính cân bằng và tính đồng đều của động cơ.

-6-
1.2.2. Hệ thống trao đổi khí
Hệ thống trao đổi khí của động cơ đốt trong có nhiệm vụ là nạp đầy khí mới
và thải sạch khí cháy ra khỏi không gian công tác.
Đảm bảo đốt cháy hết nhiên liệu trong chu trình tiếp theo, lượng không khí nạp vào
xylanh càng nhiều càng đốt cháy được nhiều nhiên liệu và công suất động cơ sinh ra
càng lớn. Ở động cơ bốn kỳ việc nạp, xả được thực hiện thông qua xupap hút và xả,
với động cơ hai kỳ piston điều khiển việc đóng mở cửa quét và cửa xả.


Hình 1.3: Cơ cấu phân phối khí VVT-I trong động cơ xăng V6 1GR-FE
Do vậy yêu cầu các xupáp phải đóng mở đúng thời điểm quy định. Đối với động cơ
2 kỳ piston cũng phải đóng mở cửa nạp, cửa xả đúng thời điểm, các bộ phận truyền
động của hệ thống phải hoạt động chính xác.
Các xupap phải kín khít không để lọt khí để đảm bảo công suất động cơ và
hiệu suất cao. Việc nạp phải đầy nghĩa là hệ số nạp phải cao, việc xả phải sạch
nghĩa là hệ số khí sót phải thấp.
1.2.3. Hệ thống bôi trơn
Động cơ đốt trong được tạo nên từ các cơ cấu, mối ghép. Vì vậy khi động cơ
làm việc một số bộ phận có sự chuyển động tương đối với nhau. Tại bề mặt tiếp xúc
tương đối giữa chúng nảy sinh ma sát và hao mòn. Từ đó người ta đưa chất bôi trơn
vào bề mặt chịu ma sát, tạo ra môi trường có lợi cho ma sát và hao mòn. Chất bôi
-7-
trơn thường dùng cho động cơ đốt trong là dầu, mỡ, graphit … chúng đóng vai trò
là môi trường. Chúng cho phép thay đổi loại ma sát và dạng hao mòn. Như vậy,
chức năng của bôi trơn là điều khiển ma sát và hao mòn của máy.
Hệ thống bôi trơn có nhiệm vụ đưa dầu bôi trơn đến các bề mặt ma sát giữa
các chi tiết của động cơ, với một lượng cần thiết, áp suất và nhiệt độ nhất định phù
hợp với các điều kiện làm việc của động cơ. Hệ thống bôi trơn rất quan trọng, nó
đảm bảo cho động cơ làm việc an toàn, tăng tuổi thọ cho động cơ với các mục đích :

+ Bôi trơn các bề mặt có chuyển động trượt giữa các chi tiết nhằm giảm ma sát.
+ Rửa sạch bề mặt ma sát của các chi tiết.
+ Làm mát các chi tiết.
+ Bao kín khe hở giữa các chi tiết như cặp piston-xylanh-xécmăng để giảm lọt
khí.
Vì vậy, khi lắp ráp cụm chi tiết này phải bôi dầu rãnh xéc- măng và bề mặt xylanh .
+ Độ nhớt của dầu phải nằm trong giới hạn cho phép.
+ Bảo vệ bề mặt kim loại không bị ăn mòn.
+ Dầu bôi trơn không được: tạo cặn ở cácte, két chứa, ở các chi tiết động và
trong các đường ống, phải đảm bảo tính bôi trơn và không được tạo thành nhũ
tương khi có nước lẫn vào không được tạo bọt.
+ Dầu phải tuổi thọ cao và có giá thành phù hợp.
Hệ thống bôi trơn phải đưa chất bôi trơn tới nơi cần bôi trơn một cách liên tục, đều
đặn, với lưu lượng, trạng thái (áp suất, nhiệt độ) tính chất xác định.
1.3. MA SÁT, BÔI TRƠN TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.3.1. Tổng quan ma sát bôi trơn trong động cơ đốt trong
Trong động cơ do điều kiện làm việc của các cơ cấu có khác nhau nên dẫn
đến trạng thái ma sát-bôi trơn cũng khác nhau [6]. Hình 1.4 thể hiện đặc điểm bôi
trơn của các cơ cấu trong động cơ.
-8-

Hình 1.4: Đường cong Stribeck
Với sự phát triển mạnh của các ngành vật liệu, công nghệ bề mặt, công nghệ
chế tạo thì tổn thất cơ giới trong động cơ đốt trong có cụm piston vòng găng chuyển
động tịnh tiến qua lại có thể giảm còn khoảng 15% [6] của tổng năng lượng sinh ra
trong động cơ. Tổn thất này có thể phân thành ba nguồn chính : ma sát trong cụm
piston-xilanh, trục khuỷu, và các bơm. Hình 1.5: biểu diễn sự phân bố các nhân tố
tổn thất cơ giới trong động cơ.

Hình 1.5: Phần trăm các thành phần của tổn thất cơ giới

Trong đó ma sát cụm piston vòng găng thanh truyền là lớn nhất và được phân
bố theo hình 1.6
-9-

Hình 1.6: Thành phần tổn thất ma sát ở cụm piston vòng găng, thanh truyền
Vì ma sát trong hệ piston vòng găng nghiêm trọng nên việc giảm ma sát ở các bộ
phận này có ý nghĩa lớn về hiệu suất, độ độc hại trong thành phần khí thải.
1.3.2.
Ma sát trong hệ piston xilanh

Hệ piston-xilanh được trình bày trong hình 1.7 váy piston là khu vực bên
dưới các vòng găng. Váy piston được thiết kế để chống lực bên từ thanh truyền và
dẫn hướng piston trong xilanh. Váy piston thường có một màng dầu dày vì dầu vẫn
còn nằm bên dưới vòng găng gạt dầu, trái ngược với váy piston vòng găng được
phủ bởi một màng

dầu rất mỏng.

Hình 1.7: Hệ piston, xilanh, thanh truyền
Ma sát là lực cản trở, hình thành do sự tiếp xúc của hai bề mặt có chuyển
động tương đối với nhau. Trong động cơ mục đích thiết kế là giảm ma sát đến mức
nhỏ nhất nhằm tăng hiệu suất và cải thiện tính kinh tế. Để hiểu ma sát trong hệ
piston xilanh các phương pháp bôi trơn phải được đề cập (hình 1.4).
-10-
Do sự thay đổi lượng dầu cung cấp giữa các vòng găng khác nhau trong suốt
chu kì hoạt động của động cơ, ở mỗi vòng găng sẽ bắt gặp một kiểu bôi trơn khác
nhau dọc theo suốt chiều dài xilanh. Mặt khác, tải từ vòng găng tác dụng lên xilanh
được cung cấp bởi sự tiếp xúc giữa các nhấp nhô trên hai bề mặt và điều kiện bôi
trơn đó có thể là bôi trơn giới hạn hay hỗn hợp là phụ thuộc vào lượng dầu và tải tác
động [8].

Hình 1.8: Điều kiện bôi trơn ở vòng găng
Điều kiện bôi trơn vòng găng được thể hiện trong hình 1.8 có độ nhám trên bề mặt
tiếp xúc, và chắc chắn rằng các phần tử trên hai bề mặt có độ nhám tiếp xúc với
nhau.
Căn cứ vào đường danh nghĩa h(x) mà người ta phân loại thành ba kiểu bôi trơn:
thủy động, giới hạn và hỗn hợp. Hình 1.9 : Các kiểu bôi trơn trong hệ piston xilanh.

Hình 1.9 : Các kiểu bôi trơn hình thành trong hệ piston xilanh
Bôi trơn thủy động (pure hydrodynamic lubrication)
Bôi trơn hỗn hợp (Mixed lubrication)
Bôi trơn giới hạn (Pure boundary lubrication)
1) Bôi trơn thủy động
Trong bôi trơn thủy động, cần một lượng dầu đủ trên bề mặt tiếp xúc để phân
tách hai bề mặt làm cho các mấp mô không tiếp xúc với nhau. Hình 1.10 thể
-11-
hiện tiếp xúc của bề mặt váy piston với xilanh trong điều kiện bôi trơn thủy
động.

Hình 1.10: Bôi trơn thủy động giữa váy piston và xilanh
Trong đó :
h
i
- chiều cao dầu ở đầu vào;
h
e
- chiều cao của dầu ở cửa ra ;
h
x
- chiều cao màng dầu ở khoảng x ;

∞
h
- chiều cao ban đầu.
Nếu h(x) giảm thấp hơn giá trị chuẩn. Bề mặt piston và xilanh không đảm bảo điều
kiện bôi trơn thủy động.
Thứ nhất tìm kiếm áp suất thủy động để tính toán lưu lượng của dầu bôi trơn.
Nó có thể được xác định bởi việc áp dụng phương trình Định luật Bảo toàn khối
lượng và Định luật Bảo toàn động lượng (trong các dạng của phương trình Navier-
Stokes). Phải đảm bảo sáu giả định sau thì toàn bộ các phương trình Navier-Stokes
có thể giảm để có một hệ đơn giản hơn.
1. Chiều cao màng dầu y<<x, z (độ cong màng có thể bỏ qua).
2. Bỏ qua áp suất biến đổi màng dầu =>
0=
∂
∂
y
p

3. Dòng chảy laminal (dòng chảy tầng)
4. Không có nội lực tác dụng lên màng dầu => X= Y= Z= 0.
5. Quán tính dầu rất nhỏ so với sự trượt của lớp dầu bôi trơn (viscous shear)
=>LHS có thể bỏ qua trong phương trình.
Định luật bảo toàn động lượng (phương trình Navier-Stokes) viết theo các phương :
phương x.

X
z
u
y

u
x
u
x
p
z
u
w
y
u
v
x
u
u
t
u
ρµρ
+
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂−
=

∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
)()(
2
2
2
2
2
2

-12-
Phương y.

Y
z
v
y
v
x
v
y

p
z
v
w
y
v
v
x
v
u
t
v
ρµρ
+
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂−
=
∂
∂
+
∂

∂
+
∂
∂
+
∂
∂
)()(
2
2
2
2
2
2
(1.1)
Phương z.

Z
z
w
y
w
x
w
z
p
z
w
w
y

w
v
x
w
u
t
w
ρµρ
+
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂−
=
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
+

∂
∂
)()(
2
2
2
2
2
2

6. Tất cả gradient vận tốc được bỏ qua so với
.,
y
w
y
u
∂
∂
∂
∂

Phương trình lưu lượng :
2
.
12
)(
3
Uh
dx
dph

xQ +−=
µ
(1.2)
Áp suất phân phối trên piston có thể tính toán bởi áp dụng phương trình Định luật
Bảo toàn khối lượng và Bảo toàn động lượng bởi một phần tử thủy lực bên dưới mặt
tiếp xúc của váy-xilanh. Sử dụng phương pháp điều kiện biên và giả thuyết rằng
chất lỏng không nén được, hệ thống giảm thành phương trình 2-D của Reynolds.
Phương trình Reynold liên hệ với áp suất (p) chiều dày màng dầu (h), thông số : tốc
độ piston (U) và độ nhớt (µ).
t
h
x
h
U
z
ph
zx
ph
x ∂
∂
+
∂
∂
=
∂
∂
∂
∂
+
∂

∂
∂
∂
126).().(
33
µµ
(1.3)
2) Bôi trơn giới hạn
Piston có thể được đỡ bởi bề mặt tiếp xúc trực tiếp với xilanh, hiện tượng này gọi là
bôi trơn giới hạn. Trong một mức độ vi mô, bôi trơn giới hạn là nguyên nhân bởi
tiếp xúc mấp mô, bôi trơn giới hạn bắt nguồn từ tiếp xúc giữa nhiều mấp mô do sự
biến đổi hình dạng màng dầu.
Một mô hình thường được sử dụng để xác định ma sát trong bôi trơn giới hạn là một
trong những đề xuất của Greenwood và Tripp. Greenwood và Tripp đã bắt đầu thực
hiện với một biểu thức cho áp suất tiếp xúc của hai bề mặt.

dzz
d
zEK
d
p
d
c
)()()(
5,2''
φ
σσ
α
σ
∫

−=
(1.4)
Trong đó:

β
σβη
π
6
.)..(
15
28
2'
=K

-13-
Trong các biểu thức trên p
c
là áp suất tiếp xúc danh nghĩa giữa các bề mặt, d là
khoảng cách trung bình của hai bề mặt (tức là váy piston và lót xilanh).

η
- mật độ độ nhám trên một đơn vị diện tích;
β - mấp mô cao nhất hướng kính trên đường cong;
β(z) - phân phối xác suất độ cao của mấp mô;
z - độ lệch giữa chiều cao trung bình mấp mô và chiều cao trung bình bề mặt.
Hơn thế nữa mô đun E
’
của Young và độ lệch chuẩn của các chiều cao mấp mô (σ)
được đưa vào các giá trị hỗn hợp khi E
1

, E
2
và σ
1
, σ
2
được thể hiện tương ứng các
giá trị cho mô đun Young và độ lệch, độ nhám tiêu chuẩn cho mỗi bề mặt.

2
2
2
1
2
1
'
11
2
E
V
E
V
E
−
+
−
=
(1.5)

2

2
2
1
σσσ
+=

3) Bôi trơn hỗn hợp
Bôi trơn hỗn hợp bao gồm bôi trơn thủy động và giới hạn. Nó là khu vực chuyển
tiếp giữa bôi trơn thủy động và bôi trơn giới hạn, trong đó có áp suất đáng kể của
dầu bôi trơn, nhưng nó không đủ để loại trừ sự tiếp xúc mấp mô giữa hai bề mặt.
Trong nhiều trường hợp giá trị ma sát thấp nhất đạt được khi hai bề mặt tiếp xúc
được nằm trong bôi trơn hỗn hợp (đường cong Stribeck trong hình 1.11), vì điều
này cung cấp sự cân bằng sự tối ưu giữa ma sát của thủy động và giới hạn.
Trong khi hoạt động piston di chuyển kết thúc hành trình với vận tốc thấp, bôi trơn
giới hạn và khi giữa xilanh với vận tốc cao, bôi trơn thủy động. Nó trải qua nhiều
lần ở chế độ bôi trơn hỗn hợp
Đường cong Stribeck
Mối quan hệ giữa ba trạng thái bôi trơn được cho bởi đường cong Stribeck (hình
1.11) ma sát giới hạn giảm phụ thuộc với tốc độ trượt, trong khi ma sát thủy động
tăng với tốc độ trượt.