TRƯỜNG ĐẠI HỌC s ư PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
ĐỎ THỊ THÚY
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG DẪN ĐỘNG XUPAP BẰNG
THỦY L ự c TRONG c ơ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ
ĐỘNG C ơ ĐỐT TRONG
KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Hà Nội, 2015
TR Ư Ờ N G ĐẠI HỌC s u PHẠM HÀ NỘI 2
K H O A V ậ t LỶ
ĐỎ THỊ THÚY
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG DẪN ĐỘNG XUPAP BẰNG
THỦY Lực TRONG c ơ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ
ĐỘNG C ơ ĐỐT TRONG
Chuyên ngành: Vật lí kĩ thuật
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Người hướng dẫn khoa học:
ThS Nguyễn ngọc Tuấn
Hà Nội, 2015
MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU....................................................................................................... 1
1.
Lí do chọn đề tài..................................................................................................1
2.
Mục đích nghiên cún......................................................................................... 1
3.
Nhiệm vụ nghiên cứu....................................................................................... 2
4.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu..................................................................2
PHẰN NỘI DUNG
Chương 1 - Tổng quan tình hình nghiên cứu dẫn động xupap trong cơ
cấu phân phối khí động cơ đốt trong..................................................................3
1.1.
Tình hình nghiên cứu dẫn động xupap trên thế giới.....................................3
1.2.
Tình hình nghiên cứu dẫn động xupap tại Việt N am ................................... 8
1.3.
phân phối.................................................................................................................... 26
3.3.
Kích thước hình học của rãnh cấp và vị trí bố trí chúng trên ống lót của
van phân phối.............................................................................................................29
3.4.
Quy luật cấp chất lỏng cho xi lanh thủy lực.................................................31
3.5.
Phương trình toán học mô tả chuyến động của xupap dẫn động bằng
thủy lự c........................................................................................................................ 33
3.5.1. Phương trình mô tả chuyển động của con trượt........................................ 33
3.5.2. Phương trình mô tả chuyển động của xupap dẫn động bằng thủy
lực................................................................................................................................. 35
3.6.
Ket quả khảo sát mô hình toán học dẫn động xupap bằng thủy
lực................................................................................................................................. 38
3.6.1. Áp suất nguồn nuôi không đổi, tốc độ trục phân phối thay đổi..............38
3.6.2. Tốc độ trục phân phối không đổi, áp suất nguồn nuôi thay đ ố i............. 40
3.6.3. Ảnh hưởng của độ cứng lò xo xupap đến quy luật động học của xupap
dẫn động bằng thủy lực.............................................................................................42
3.7.
Cơ cấu phân phối khí dùng xupap đặt.............................................. 12
Hình 2.3.
Phương án dẫn động gián tiếp xupap với trục cam bố trí trong
hộp trục khuỷu............................................................................................................ 13
Hình 2.4.
Phương án dẫn động gián tiếp xupap với trục cam trên nắp
máy................................................................................................................................14
Hình 2.5.
Cơ cấu phân phối khí trục cam đặt trên nắp tác động trực tiếp lên
xupap trường hợp có sử dụng cốc mỏng dẫn hướng............................................ 15
Hình 2.6.
Cơ cấu dẫn động bằng xích................................................................ 16
Hình 2.7.
Dan động bằng đai............................................................................... 17
Hình 2.8.
Các phương án dẫn động trục cam.................................................... 17
Hình 2.9.
Hình 3.7.
Sơ đồ bố trí của cửa cấp, cửa xả trên ống lót.................................. 31
Hình 3.8.
Sơ đồ tính toán sự biến thiên diện tích cửa cấp
chất lỏng công
tác................................................................................................................................. 32
Hình 3.9.
Mô hình tính toán quy luật chuyển động của con trượt................. 33
Hình 3.10. Mô hình tính toán quy luật chuyến động của xupap dẫn động
bằng thủy lực.............................................................................................................. 36
Bảng 3.1.
Ảnh hưởng của tốc độ trục phân phối đến các giá trị cực đại của
chuyển dịch, vận tốc, áp suất trong xi lanh thủy lực............................................39
Bảng 3.2.
Ảnh hưởng của áp suất nguồn nuôi đến các giá trị cực đại của
chuyển vị, vận tốc, áp suất trong xi lanh thủy lực................................................ 41
Bảng 3.3.
đích la trị số "thời gian - tiết diện" là lớn nhất. Và dẫn động xupap được tiến
hành với nhiều phương án khác nhau và mỗi phương án thì có ưu, nhược
điểm riêng, phương án dẫn động xupap bằng thủy lực có những ưu điểm hơn
cả khắc phục những hạn chế của các phương án khác. Với lý do nêu trên nên
tôi chọn đề tài khóa luận là: “Nghiên cửu khả năng dẫn động xupap bằng
thủy lực trong cơ cấu phân phối khí động cơ động cơ đốt trong”.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu dẫn động bằng thủy lực trong cơ cấu phân phối khí động cơ
đốt trong nhằm khắc phục những hạn chế khi dẫn động xupap bằng các
phương án khác.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Các phương án dẫn động xupap bằng cơ khí trong cơ cấu phân phối
khí động cơ đốt trong và đánh giá ưu, nhược điểm, biện pháp khắc phục hạn
chế.
- Tổng quan về tình hình nghiên cứu dẫn động xupap trong cơ cấu phân
phối khí.
- Phương án dẫn động xupap bằng thủy lực trong cơ cấu phân phối khí
động cơ đốt trong: sơ đồ nguyên lý chung, sơ đồ nguyên lý sử dụng van phân
phối, quy luật cấp chất lỏng công tác cho xyalnh thủy lực, phương trình toán
học mô tả chuyển động của xupap trong hệ thống dẫn động bằng thủy lực,
đánh giá kết quả khảo sát mô hình toán học dẫn động xupap bằng thủy lực
trong cơ cấu phân phối khí động cơ đốt trong.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cún
4.1. Đối tượng nghiên cứu
Dan động xupap bằng thủy lực trong cơ cấu phối khí động cơ đốt trong.
4.2. Phạm vi nghiên cứu
Dan động xupap trong động cơ đốt trong.
5. Phương pháp nghiên cứu
Van điện từ hoạt động theo nguyên lý: khi không có dòng điện cấp cho
các cuộn dây điện từ, dưới tác dụng của lò xo xupap và lò xo của lõi sắt, lõi
sắt nằm ở vị trí giữa khe hở của hai cuộn dây; lúc này động cơ không làm
việc. Trong quá trình động cơ làm việc, cuộn đóng dùng để giữ lõi sắt khiến
cho xupap ở trạng thái đóng. Đe mở xupap, cần ngắt điện cuộn đóng và dưới
tác dụng của lò xo lõi sắt, lõi sắt bị đẩy dịch về phía gần với cuộn mở, đồng
thời cuộn mở được cấp điện làm cho lõi sắt tiếp tục dịch chuyến, mở xupap và
lò xo xupap bị nén lại. Đe đóng xupap, lại ngắt điện cuộn mở và cấp điện cho
cuộn đóng. Thời điểm đóng, mở xupap được hệ thống điện tử điều khiển phù
họp với các chế độ làm việc của động cơ.
Phương pháp dẫn động xupap kiểu cơ điện từ có thể kiểm soát được
quá trình làm việc của động cơ như thay đối pha phối khí phù hợp với các chế
độ làm việc, như vậy có thể giảm được mức độ độc hại trong khí xả. Tiết
kiệm tới 15 % nhiên liệu. Hệ thống làm việc êm dịu do giảm được số lượng
các chi tiết chuyển động. Tuy hệ thống dẫn động kiểu này đơn giản về mặt kết
cấu, song lại rất nhiều phức tạp về mặt điều khiển, đòi hỏi công nghệ chế tạo
tiên tiến, do đó làm tăng giá thành động cơ. Quá trình bảo dưỡng hệ thống
đơn giản, nhưng quá trình sửa chữa lại phức tạp.
Các công trình nghiên cứu dẫn động xupap bằng khí nén ít được công
bố, tuy nhiên nếu sử dụng khí nén trong việc dẫn động xupap thì có thể theo
một sơ đồ nguyên lý chung như trên hình 1.2.
Tín hiệu điều khiển có thể lấy từ trục cam hoặc bộ cảm biến vị trí, cũng
có thể lấy trực tiếp từ trục khuỷu của động cơ.
Van phân phối 3 cấp khí đến các xi lanh chấp hành 6 đế mở hoặc đóng
các xupap 7. Van phân phối có thế dược điều khiến bằng cơ khí hoặc điện.
4
Dòng chất lỏng công tác được được điều khiển bằng các van điện từ. Ví
dụ khoa chế tạo máy của trường Đại học Nam Ca - ro - lina đã sử dụng cụm
gốm áp điện đế điều khiến van phân phối thay thế hoàn toàn trục cam. (hình
1.3)
6
Nguyên lý hoạt động: Khi có một xung điện áp điều khiến từ bộ điều
khiển thì cụm gốm áp điện 3 sẽ giãn nở. Sự giãn nở tuyến tính này tác động
đến con trượt 1 thông qua bản lề 2 và khi đó dòng chất lỏng bị thay đối hoặc
dược dẫn vào khoang trên hoặc được dẫn vào khoang dưới pittong dẫn động
xupap 4 đế đóng hoặc mở xupap 5. Khi điện áp giảm dần thì cụm gốm áp điện
co lại và van phân phối làm việc hoàn toàn ngược lại so với cụm gốm áp điện
được cấp điện hệ thống làm việc với tần số 50Hz tương đương 600 v/phút, tốc
độ trục khuỷu thay đổi thời gian đóng mở xupap được thực hiện bằng cách
thay đối điện áp cấp cho cụm gốm áp điện.
Hãng Ford đã thử chế tạo một vài sản phâm dẫn động xupap bằng thủy
lực điều khiến bằng van điện từ song nó bộc lộ một số hạn chế đó là các cuộn
van điện từ tiêu tốn khá nhiều năng liệu và có những hạn chế của chính bản
thân các van điện tù’. Tuy nhiên, thiết kế này ít nhiều cho phép thay đổi được
pha phối khí.
Ngoài hướng sử dụng các tín hiệu điện đế điều khiển xupap như trên
với các động cơ mà trên đó hệ thống cung cấp điện không có sẵn thì việc sử
dụng hệ thống dẫn động xupap kiểu cơ - thủy lực tỏ ra khả thi. Trong hệ
thống này không sử dụng các cuộn dây điện từ hay cụm gốm áp điện nhưng
vẫn giữ nguyên phần chấp hành bằng thủy lực. Một trong những kết cấu kiểu
này được Vianney Rabhi đề xuất, theo tác giả thì khi sử dụng cơ cấu điều
khiển này hoàn toàn có thể thay đổi được thời điểm đóng, mở và cả hành trình
xupap. Đây là phương án điều khiển phù họp cho bất kì động cơ nào mà
chuyến cùng với cam tốc độ thấp. Lúc này các xupap thay đối hành trình khi
được dẫn động bởi cam tốc độ cao. Ở dải tốc độ thấp, tay đòn chữ T trượt ra
khỏi khe một cách tự do, cho phép các cam tốc độ thấp dẫn động các xupáp.
Ở dải tốc độ cao, áp suất thủy lực đẩy piston thủy lực lên, bởi vậy tay đòn chữ
T lại trượt vào các khe cò mổ để chuyển sang vận hành với các cam tốc độ
cao.
Ớ Việt Nam cũng đã có một số công trình nghiên cứu về khả năng dẫn
động của xupap trong cơ cấu phân phối khí của động cơ đốt trong. Tuy nhiên
trong thực tế thì chưa có động cơ có tốc độ nào sử dụng thủy lực để dẫn động
xupap.
1.3. Kết luận chương 1
Qua việc tìm hiếu tình hình nghiên cứu phát triển các phương án dẫn
động mới (khí nén, điện tử, thủy lực) cho xupap trên thế giới ta thấy rằng
phương án này đang được các nhà chế tạo động cơ nghiên cứu và bước đầu
được áp dụng do chúng có những un điểm nổi bật như: kiểm soát được quá
trình làm việc của động cơ bằng cách thay đối pha phối khí phù hợp với các
chế độ làm việc của động cơ, hệ thống làm việc êm dịu do giảm được các chi
tiết chuyển động đơn giản về mặt kết cấu và đơn giản trong việc chăm sóc,
bảo dưỡng, nhưng dòi hỏi công nghệ chế tạo cơ khí và điện tử rất hiện đại.
Trong số các phương án mới, phương án dẫn động bằng thủy lực điều
khiến bằng cơ khí có nhiều triển vọng hơn đối với điều kiện và khả năng công
9
nghệ ở Việt Nam bởi khi xupap dẫn động bằng thủy lực có thế loại bỏ hoàn
toàn các chi tiết trung gian như con đội, đĩa đẩy, cò mỏ thậm chí cả trục cam
tùy thuộc vào từng kết cấu cụ thể; giảm tải trọng quán tính do giảm các chi
tiết có khối lượng tham gia chuyển động tịnh tiến; có khả năng thay đổi thời
điểm đóng mở xupap, điều mà việc sử dụng trục cam dẫn động xupap rất khó
Hình 2.2. Cơ cẩu phân phổi khí dùng xupap đặt
1 - trục cam; 2- thân máy; 3- con đội; 4 - đế lò xo xupap; 5- lò xo xupap; 6 ổng dân hướng; 7 - xupap; 8 -bánh răng dân động bảnh răng cam
Xupap được lắp ở một bên thân máy ngay trên trục cam và được trục
cam dẫn động xupap thông qua con đội. Xupáp nạp và xupáp thải của các xi
lanh có thể bố trí theo nhiều kiểu khác nhau: Bố trí xen kẽ hoặc bố trí theo
từng cặp một. Khi bố trí tòng cặp xupáp cùng tên, các xupáp nạp có thể dùng
chung đường nạp nên làm cho đường nạp trở thành đon giản hơn. Tuy vậy có
khuyết điểm là buồng cháy không gọn, có dung tích lớn. Một khuyết điểm
nữa là đường nạp, thải phải bố trí trên thân máy phức tạp cho việc đúc và gia
công thân máy, đường thải, nạp khó thanh thoát, tổn thất nạp thải lớn.
12
Xupap treo được dẫn động bằng trục cam bố trí trong hộp trục khuỷu
cũng rất thông dụng cho động cơ hình chữ “V” cũng như trong động cơ một
xi lanh (hình 2.3).
♦
5 6
7
3
»
Hình 2.3. Phương án dân động gián tiếp xupap với trục cam
bánh răng côn và trục truyền thì kết cấu phức tạp, nhiều chi tiết, khối lượng và
lực quán tính lớn nên ảnh hưởng tới khả năng gia tốc và hạn chế mức độ
cường độ hóa động cơ theo tốc độ trục khuỷu. Nguyên nhân là tiếng ồn lớn và
hiệu suất cơ khí của bộ truyền giảm nhanh ở tốc độ cao. Đe khắc phục những
nhược điếm này người ta thường sử dụng bộ truyền xích (TOYOTA, LADA,
HONDA, MOCKBH4 412). Xích còn được dùng cho cả trường hợp khi mà
trục cam bố trí trong hộp trục khuỷu thay cho việc dùng ba, bốn bánh răng.
14
2.2. Phương án dẫn động trực tiếp
Trên các động cơ công suất lớn số lượng xupap nhiều hon (thường là
bốn) cho mỗi xi lanh nên thường dùng hai trục cam cho một dãy xi lanh và
cam tác động trực tiếp lên xupap. Như vậy trong kết cấu của cơ cấu phân phối
khí sẽ không còn đũa đẩy, cò mổ, trục cò mố, con đội và kết cấu trở nên đơn
giản hơn.
Hình 2.5. Cơ cấu phân phổi khỉ trục cam đặt trên пар mảy tác động trực tiếp
lên xupap, trường họp có sử dụng côc mỏng dân hướng
ơ động cơ tốc độ cao xích và đai răng thường được dùng dẫn động các
trục cam. Phương án này làm giảm đến mức tối đa giới hạn các chi tiết truyền
động từ trục cam đến xupáp thuận tiện cho việc tăng tốc độ động cơ. Dan
động bằng xích có ưu điểm gọn nhẹ có thể dẫn động trục cam ở khoảng cách
lớn. Tuy vậy phương án này có nhược điếm là giá thành của xích đắt hơn giá
thành chế tạo bánh răng nhiều. Khi phụ tải lớn và sau một thời gian sử dụng,
xích thường bị rão, gây nên tiếng ồn và làm sai lệch phân phối khí. Đe giữ
cho xích luôn được căng thường dùng cơ cấu căng xích có lò xo hoặc vít điều
15
8. Trục cam xà
Hình 2.7. Dân động bằng đai
Đe dẫn động trục cam đối với động cơ có tốc độ trục khuỷu tương đối
thấp thường sử dụng các cặp bánh răng hoặc dùng trục trung gian kết họp với
bánh răng và bánh răng côn (hình 2.8).
Hình 2.8: Các phương án dân động trục cam
(a, c) - dân động trục cam dùng bánh răng côn; (b) - Dân động trục cam
dùng bảnh răng trung gian; ịd, e) —dân động trục cam dùng xích.
17
Copyright: Tài liệu đại học ©