Đề tài nghiên cứu lý thuyết động cơ 1NZ FE phục vụ cho công tác giảng dạy Tài liệu hỗ trợ cho Sinh viên nghiên cứu và hoàn thành đồ án môn học, luận án tốt nghiệp Tài liệu Cấu tạo động cơ 1NZFE trang bị trên Toyota Vios là tài liệu chuyên hãng, chính vì thế tài liệu này phân tích rất là kỹ về từng cấu tạo chi tiết của các hệ thống động cơ nên khá kỹ phù hợp cho bác nào đang làm đồ án khảo sát động cơ này hoặc đang làm đồ án tốt nghiệp cần tìm hiểu các hệ thống bên trong động cơ.
TỔNG QUAN
Giới thiệu tổng quan đề tài
Ô tô ngày nay đã trở thành phương tiện vận chuyển thiết yếu trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế, bao gồm khai thác tài nguyên, dịch vụ công cộng, xây dựng, quân sự, và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người Một chiếc ô tô hiện đại cần phải đảm bảo tính tiện nghi, an toàn, kinh tế, thẩm mỹ và thân thiện với môi trường.
Các nhà sản xuất ô tô đang không ngừng nâng cao và hoàn thiện sản phẩm của mình bằng cách áp dụng công nghệ điều khiển điện tử tiên tiến, nhằm đáp ứng tốt nhất nhu cầu của người tiêu dùng.
Trong đề tài này, nhóm thực hiện đề tài xin trình bày chuyên đề về động cơ 1NZ–
Do hạn chế về thời gian, kiến thức và kinh nghiệm, nội dung và hình thức của đề tài chắc chắn còn thiếu sót Chúng tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến quý báu từ Quý Thầy Cô để hoàn thiện đề tài này hơn nữa.
Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật đã đưa nhân loại vào một kỷ nguyên mới với nhiều thành tựu hiện đại và ứng dụng cao Là một quốc gia đang phát triển, Việt Nam đã thực hiện nhiều cải cách nhằm thúc đẩy kinh tế, tiếp nhận và ứng dụng công nghệ mới, đồng thời học hỏi từ các thành tựu khoa học tiên tiến trên thế giới.
Ngành công nghiệp cơ khí đang không ngừng phát triển, đặc biệt trong lĩnh vực ô tô Nhờ sự cho phép và hướng dẫn của thầy Phạm Hồng Thao, chúng em có cơ hội tiếp cận và nghiên cứu đồ án khai thác về động cơ ô tô, từ đó nắm bắt được những cải tiến mới trong công nghệ.
Mục tiêu của đề tài
Vận dụng kiến thức về động cơ từ thực tập tại doanh nghiệp và trường học, cùng sự hỗ trợ của giảng viên, chúng tôi thiết kế mô hình động cơ 1NZ-FE để quan sát nguyên lý hoạt động, phục vụ cho công tác giảng dạy Đồng thời, việc tiếp cận công nghệ mới nhất ứng dụng trên ô tô hiện nay là rất cần thiết cho các kỹ sư cơ khí động lực.
Đối tượng và phạm vi nghiêng cứu đề tài
- Đối tượng nghiên cứu ở đây là mô hình động cơ 1 NZ-FE
- Nghiên cứu chế tạo, tính toán thiết kế và vận hành mô hình động cơ 1 nz-FE.
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu Đề tài nghiên cứu chủ yếu hỗ trợ công tác giảng dạy nên chỉ tập trung chủ yếu về phần lý thuyết của động cơ 1 NZ-FE và thiết kế chế tạo mô hình động cơ 1 NZ- FE
Phương pháp nghiêng cứu
1.5.1 Phương pháp nghiêng cứu thực tiễn
Phương pháp này tác động trực tiếp vào đối tượng trong thực tiễn, giúp bộc lộ bản chất và các quy luật vận động của đối tượng thông qua các bước cụ thể.
Bước 1: Quan sát, tìm hiểu các thông số kết cấu của động cơ 1 NZ-FE trên ô tô Bước 2: Lập phương án thiết kế mô hình
Bước 3: Lập phương án thiết kế chế tạo mô hình động cơ 1 NZ-FE trên ô tô.
Bước 4: Xây dựng hệ thống đề tài “ Động cơ 1NZ-FE ”
1.5.2 Phương pháp nghiêng cứu cụ thể
Tiến hành nghiên cứu và chế tạo động cơ 1 NZ-FE ta cần tìm hiểu kỹ về cấu tạo nguyên lý hoạt động của nó trên ô tô
Tìm hiểu về một số mô hình hệ động cơ 1 NZ-FE phục vụ công tác giảng dạy, đưa ra ý tưởng để chế tạo mô hình
Sau khi nghiên cứu thực tiễn tiến hành thiết kế khung và cách đặt, bố trí các chi tiết trên khung.
Cấu trúc của khoá luận tốt nghiệp
Bài báo cáo khóa luận được chia làm 5 chương, bao gồm các phần mở đầu, phụ lục và tài liệu tham khảo:
- Chương 2 : Cơ sở lý thuyết
- Chương 3 : Cơ cấu động cơ 1NZ-FE
- Chương 4 : Thiết kế bản vẽ chi tiết và cụm chi tiết của động cơ 1 NZ – FE và sản phẩm
- Chương 5 : Kết luận và đề nghị
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu chung
Vào năm 1860, J J J E Lenoir (1822-1900) đã phát minh ra động cơ đốt trong đầu tiên, sử dụng khí đốt được đốt cháy ở áp suất môi trường mà không cần nén hỗn hợp trước khi cháy Động cơ này đạt công suất tối đa khoảng 5 mã lực và hiệu suất cực đại khoảng 5%.
Vào năm 1884, Alphonse Beau de Rochas (1815-1893) đã trình bày nguyên lý hoạt động của chu trình động cơ đốt trong (ĐCĐT) và đề xuất các điều kiện cần thiết để đạt hiệu suất tối đa cho động cơ này.
- Thể tích xy lanh tối đa
- Tốc độ làm việc lớn nhất
- Tăng tỉ số nén tối đa
- Áp suất tối đa từ lúc bắt đầu giãn nở
- 1886, hang Daimler – Maybach xuất xưởng động cơ xăng dầu đầu tiên có công suất 0.25 mã lực ở số vòng quay 600/phút.
Năm 1892, Rudolf Diesel (1858-1913) đã đề xuất một loại động cơ đốt trong mới bằng cách phun nhiên liệu lỏng vào không khí được làm nóng Hỗn hợp này tự bắt cháy, mang lại hiệu suất nhiệt khoảng 26% Động cơ này chính là nền tảng cho động cơ diesel mà chúng ta biết đến ngày nay.
- 1957, Động cơ đốt trong kiểu piston quay được chế tạo rất gọn nhẹ.
Kể từ đó, các bộ phận của động cơ đốt trong đã được cải tiến và phát triển liên tục, nhằm nâng cao hiệu suất và tối ưu hóa tính năng của thiết bị này.
Một số khái niệm cơ bản về động cơ đốt trong
Điểm chết, hay còn gọi là tử điểm, là vị trí cuối cùng mà piston có thể đạt được trong xy lanh, nơi mà nó không thể di chuyển tiếp Tại điểm này, vận tốc của piston bằng không và nó sẽ bắt đầu đổi chiều chuyển động Có hai loại điểm chết: điểm chết trên (tử điểm thượng) và điểm chết dưới (tử điểm hạ).
- Hành trình piston (khoảng chạy S của piston): khoảng dịch chuyển của piston giữa
2 điểm chết, có hai khoảng chạy, khoảng chạy lên và khoảng chạy xuống.
- Đường kính xy lanh (đường kính long xy lanh D): đường kính trong của xy lanh.
-Thể tích xy lanh: thể tích xy lanh mà piston giải phóng khi di chuyển từ DCT đến DCD hoặc ngược lại.
Động cơ 4 kỳ có cấu trúc đơn giản, trong khi đối với động cơ nhiều xy lanh, dung tích xy lanh được xác định bằng cách nhân số xy lanh với thể tích xy lanh.
-Thể tích buồng cháy: thể tích còn lại trong xy lanh khi piston ở ĐCT Đó là thể tích bé nhất của xy lanh.
-Thể tích toàn bộ xy lanh: thể tích ở phía trên piston khi nó nằm ở ĐCD Đó là thể tích lớn nhất của xy lanh.
Tỉ số nén là tỷ lệ giữa tổng thể tích của xy lanh và thể tích buồng cháy, cho biết mức độ giảm thể tích trong xy lanh khi piston di chuyển từ ĐCD lên ĐCT Điều này phản ánh số lần mà thể tích khí trong xy lanh bị nén lại, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và công suất của động cơ.
Hòa khí là hỗn hợp đồng nhất giữa hơi xăng hoặc dầu diesel và không khí, được pha trộn với tỉ lệ chính xác Trong động cơ xăng, quá trình tạo ra hòa khí diễn ra bên ngoài xy lanh thông qua bộ chế hòa khí.
Môi chất công tác là khối khí được nạp vào xy lanh động cơ, trong đó sự thay đổi các thông số trạng thái như thể tích, áp suất và nhiệt độ diễn ra Nhiệt năng sinh ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu sẽ chuyển hóa thành cơ năng, đóng vai trò quan trọng trong việc sinh công Trong lĩnh vực kỹ thuật nhiệt động lực học, môi chất công tác còn được xem như chất môi giới.
-Kỳ/thì: thời gian MCCT thay đổi trạng thái trong một hành trình piston hay trong nửa vòng quay của trục khuỷu.
-Chu kỳ: toàn thể sự thay đổi trạng thái của MCCT từ khí đem vào xy lanh cho đến lúc xả ra ngoài khí trời.
nguyên lí hoạt động của ĐCĐT
Nguyên lí hoạt động của động cơ 4 kỳ:
* Nguyên lí hoạt động theo chu trình lý thuyết:
Theo chu kỳ lý thuyết, mỗi kỳ khởi sự và kết thúc tại một điểm chết Trong động cơ 4 kỳ, mỗi kỳ thực hiện một quá trình riêng biệt.
-Kỳ nạp/hút: thực hiện quá trình nạp, piston dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD. -Kỳ nén: thực hiện quá trình nén, piston dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT.
-Kỳ sinh công: thực hiện quá trình cháy – giãn nở, piston dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD.
Kỳ thải/xả/thoát là quá trình thải sản vật cháy, trong đó piston di chuyển từ điểm chết dưới (ĐCD) lên điểm chết trên (ĐCT) Động cơ hoạt động theo chu trình lý thuyết sẽ mất khoảng 15 - 30% công suất do nhiều nguyên nhân khác nhau.
-Không thải sạch sẽ được sản vật cháy.
-Không nập được đầy MCCT mới.
-Không cháy đúng thời điểm.
* Nguyên lí hoạt động theo chu trình thực tế:
Kỳ hút: hành trình nạp thực tế lớn hơn hành trình nạp lý thuyết vì
Xu pap nạp mở sớm hơn khi piston tới ĐCT, tương ứng với góc quay trục khuỷu từ
Xu pap tiếp tục mở trong suốt thời gian piston đi từ ĐCT xuống tới ĐCD, tương ứng góc quay 180 độ.
Xupap đóng trễ sau khi piston đã qua khỏi ĐCD đi ngược trở lên, tương ứng với
Quá trình nén thực tế trong xy lanh bắt đầu khi xypap nạp đóng và kết thúc khi piston gần đạt ĐCT, tương ứng với góc quay trục khuỷu từ 0 đến 22 độ trước ĐCT Đây được gọi là góc đánh lửa sớm ở động cơ xăng hoặc góc phun sớm ở động cơ diesel Do đó, hành trình nén thực tế sẽ nhỏ hơn hành trình nén lý thuyết, với góc quay trục khuỷu nhỏ hơn 180 độ.
Hành trình nén trong động cơ là quá trình tiêu hao công (công âm) từ công dư của bánh đà hoặc công giãn nở (công dương) của các xy lanh khác Quá trình này giúp tăng cao nhiệt độ và áp suất của hỗn hợp cháy trong động cơ, góp phần nâng cao hiệu suất hoạt động.
Hình 2.4: Quá trình cháy – giãn nở
Quá trình cháy trong động cơ bắt đầu khi bugi nẹt lửa ở động cơ xăng hoặc khi nhiên liệu diesel được phun vào xy lanh ở động cơ diesel, tương ứng với góc đánh lửa sớm hoặc góc phun sớm Thực tế, quá trình cháy và giãn nở diễn ra nhỏ hơn so với quá trình lý thuyết.
Xupap thoát mở sớm 45 độ giúp khí cháy thoát ra nhanh chóng, làm giảm áp suất trong xi lanh và mất một phần công suất động cơ Tuy nhiên, khi piston di chuyển lên, hiệu suất được cải thiện do không còn bị cản trở bởi áp lực khí cháy Xupap thoát đóng trễ khoảng 10 độ sau ĐCT để kéo dài thời gian thải khí cháy, dẫn đến quá trình thải thực tế lớn hơn so với lý thuyết.
Các ứng dụng của động cơ đốt trong
ĐCĐT đóng vai trò là nguồn động lực chính cho các phương tiện giao thông vận tải, góp phần quan trọng trong quá trình cơ giới hóa sản xuất ở nhiều lĩnh vực như giao thông vận tải, nông nghiệp, lâm nghiệp và xây dựng.
Ngoài ra, lĩnh vực ĐCĐT có tác động tương hỗ với nhiều lĩnh vực khác: cơ khí, điện, điện tử, vật liệu kim loại và phi kim loại, …
Hiện nay, nhiều loại động cơ mới đang được nghiên cứu và phát triển, tuy nhiên, chúng vẫn gặp phải một số hạn chế như giá thành cao, kích thước lớn và tính tiện dụng không cao Do đó, động cơ đốt trong (ĐCĐT) vẫn được sử dụng rộng rãi và giữ vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực.
CƠ CẤU ĐỘNG CƠ 1NZ-FE
Các bộ phận cố định
Hình 3.1: Động cơ 1NZ-FE nhìn từ bên ngoài
Các bộ phận cố định bao gồm:
3.1.1 Thân máy Động cơ 1NZ-FE thân máy dạng thẳng hàng cơ, là giá đỡ để bắt các chi tiết, bộ phận của động cơ.
- Chịu bộ phận lực của động cơ
- Thân động cơ là thành phần chính của động
- Bố trí tương quan các bộ phận, chi tiết của động cơ.
- Chứa các đường ống nước, làm mát cho động cơ.
Thân động cơ được thiết kế liền khối, bao gồm các lỗ xi lanh với hệ thống đường nước làm mát, ống dẫn dầu bôi trơn và các vị trí để lắp đặt các bộ phận khác.
- Ống lót xi lanh làm bằng gang đúc mỏng, cố độ chính xác gia công cao và không lắp chọn
- Vật liệu chế tạo thân động cơ là hợp kim nhôm.
3.1.2 Nắp máy Được bố trí trên thân máy, là phần chịu áp lực và nhiệt độ cao trong suốt quá trình sử dụng.
Piston và nắp máy tạo thành một góc vát hình côn làm tăng tốc độ lan truyền trong quá trình cháy và giảm tiếng gõ.
Hình 3.4: Đặc điểm của nắp máy
- Cùng với xi lanh tạo thành buồng đốt động cơ.
- Làm giá đỡ để bắt các bộ phận khác.
- Bố trí các chi tiết tương quan: trục cam, xupap, buồng cháy, bougie…
- Chứa các đường nước làm mát, dầu bôi trơn động cơ.
- Nắp máy được đúc liền khối với động cơ xi lanh thẳng hang.
- Giữa nắp máy và thân máy có lắp joint làm kín.
Hình 3.5: Các chi tiết bố trí trên nắp máy
Cacte được kết nối với hộp trục khuỷu thông qua một đệm làm kín, có chức năng chứa nhớt bôi trơn và bảo vệ các chi tiết bên trong hộp trục khuỷu khỏi bụi bẩn và tác động bên ngoài.
-Bên dưới được bố trí một nút xả nhớt
Bên trong thiết kế có vách ngăn giúp giảm dao động của dầu trong quá trình xe di chuyển, đồng thời đảm bảo rằng nhớt luôn được ngập lưới lọc ngay cả khi xe di chuyển trên mặt đường nghiêng.
Joint nắp đậy nắp máy và joint bougie được chế tạo liền khối, chế tạo bằng cao su tổng hợp chịu được nhiệt độ cao.
- Joint nắp máy được đặt giữa khối xi lanh và nắp máy
- Chịu được nhiệt độ và áp suất lớn.
- Nó dùng để làm kín buồng đốt, làm kín đường nước làm mát và đường dầu bôi trơn.
- Gồm một lớp thép mỏng đặt ở giữa.
Bề mặt tấm thép được bảo vệ bằng lớp cacbon và bột chì, giúp ngăn chặn sự kết dính giữa joint và bề mặt khối xi lanh cũng như thân máy.
Các bộ phận di động
Hình 3.8: Piston-trục piston-xéc măng
- Đỉnh piston cùng với nắp máy tạo thành buồng đốt.
- Nén hỗn hợp trong kỳ nén.
- Tiếp nhận lực khí cháy làm quay trục khuỷu qua trung gian của thanh truyền và trục piston.
- Piston động cơ 1NZ-FE được chế tạo bằng nhôm, có khe xéc măng cao, có độ chính xác cao và không được lắp chọn.
- Đỉnh piston: là phần trên cùng của piston.
- Đầu piston bao gồm đỉnh piston và vùng chứa xéc măng Trên đầu piston có lắp xéc măng đế làm kín buồng đốt.
Trong quá trình hoạt động, piston truyền nhiệt qua xéc măng đến xi lanh và nước làm mát Piston chịu nhiệt không đồng đều, với nhiệt độ đầu piston cao hơn đáng kể so với thân, dẫn đến sự giãn nở lớn khi làm việc Vì lý do này, thiết kế thường có đường kính đầu piston nhỏ hơn một chút so với thân ở nhiệt độ bình thường.
- Đuôi piston là phần còn lại cảu piston, nó dùng đế dẫn hướng Sự mài mòn nhiều nhất ở phần thân xảy ra theo phương vuông góc tâm trục piston.
Thân piston có hình oval với đường kính lớn hơn theo phương vuông góc với trục piston so với đường kính theo phương song song Điều này giúp bù đắp sự giãn nở nhiệt do phần kim loại ở bệ trục piston dày hơn so với các khu vực khác.
- Được bố trí bên trong có các rãnh của piston.
Đường kính ngoài của xéc măng lớn hơn đường kính ngoài của piston, điều này giúp khi lắp cụm piston-xéc măng vào xylanh, lực đàn hồi của xéc măng sẽ ép chặt bề mặt làm việc của nó vào vách xylanh.
+ Xéc măng khí : làm mát, làm kín buồng cháy, không cho khí cháy lọt xuống cacte dầu.
+ Xéc măng dầu : gạt dầu bôi trơn xylanh và piston đồng thời ngăn không cho dầu bôi trơn lọt lên buồng cháy.
- Vật liệu chế tạo xéc măng là gang hợp kim, là vật liệu chống mài mòn cao.
- Kết nối piston với đầu nhỏ thanh truyền.
- Truyền chuyển động từ piston đến thanh truyền và ngược lại.
- Có 2 kiểu lắp ghép trục piston :
+ Kiểu 1 : Cố định trục piston trong đầu nhỏ thanh truyền bằng cách ghép độ dôi hoặc dùng bulong.
+ Kiểu 2 : Trục piston xoay được trong lỗ trục piston bằng cách dùng khoen chặn ở hai đầu trục.
- Kết nối trục piston với chốt khuỷu.
- Nó dùng để biến chuyển động lên tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu và ngược lại.
- Động cơ có 4 thanh truyền.
- Được chế tạo bằng thép, có cường độ làm việc cao và gọn nhẹ.
- Đầu nhỏ thanh truyền kết nối với trục piston.
- Đầu to thanh truyền được chia làm hai nửa được lắp ghép với chốt khuỷu.
- Thân thanh truyền là phần nối giữa đầu nhỏ và đầu to thanh truyền.
Dầu nhờn từ cổ trục chính được dẫn qua ống trong trục khuỷu để bôi trơn đầu to thanh truyền Dầu sau đó đi qua hai mép đầu to và bôi trơn xylanh-piston nhờ lực li tâm Bên hông đầu to thanh truyền có một lỗ dầu, giúp làm mát đỉnh piston khi lỗ dầu trên chốt khuỷu trùng với lỗ dầu trên đầu to thanh truyền.
Trục khuỷu động cơ 1NZ-FE được gia công bằng phương pháp rèn, có độ chính xác và độ nhẵn bóng bề mặt cao để giảm ma sát.
- Là chi tiết quan trọng và phức tạp của động cơ.
- Nó tiếp nhận lực của piston truyền qua thanh truyền và biến lực thành momen xoắn truyền cho bánh đà.
Hình 3.14: Cấu tạo trục khuỷu
- Trục khuỷu làm bằng thép rèn chất lượng cao để đảm bảo độ cứng vững và mài mòn tốt.
- Nó được đặt trong các ổ trục chính ở thân máy.
- Giữa ổ trục chính của thân máy và cổ trục chính của trục khuỷu có bạc lót và các bạc lót được chia làm hai.
Đầu trục khuỷu được trang bị bánh xích hoặc bánh đai để điều khiển cơ cấu phân phối khí, đồng thời cũng dẫn động các thiết bị như bơm trợ lực lái, máy nén hệ thống điều hòa, bơm nước và máy phát điện.
Hình 3.16: Sự dẫn động của trục khuỷu
- Đuôi trục khuỷu có mặt bích để lắp bánh đà và đỡ đầu trục sơ cấp của hộp số.
Các cổ trục chính và chốt khuỷu được gia công với độ chính xác cao và bề mặt bóng mịn Dầu nhờn từ thân máy được dẫn đến các ổ trục chính để đảm bảo bôi trơn hiệu quả cho các ổ trục và bạc lót.
- Chốt khuỷu dùng để gá lắp đầu to thanh truyền, dầu nhờn bôi trơn chốt khuỷu được dẫn từ cổ trục chính qua đường ống dẫn dầu.
- Đối trọng dùng để cân bằng lực quán tính và momen quán tính.
Hệ thống phân phối khí
Hình 3.18: Cơ cấu phân phối khí
Hệ thống phân phối khí động cơ 1NZ-FE với trục cam kép và công nghệ điều khiển thời điểm mở xupap thông minh VVT-I mang lại công suất cao hơn, tiết kiệm nhiên liệu và tối ưu hiệu suất trong nhiều điều kiện đường xá khác nhau, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường.
Hình 3.19: Hệ thống VVT-I động cơ 1NZ-FE
- Điều khiển quá trình trao đổi khí trong xilanh.
- Thực hiện các công việc đóng và mở các cửa nạp – xả với mục đích nạp đầy không khí và thải sạch khí cháy ra khỏi xylanh.
- Điều khiển sự mở xupap hợp lý hơn nhằm phù hợp với mọi chế độ hoạt động của động cơ, đồng thời tăng công suất của động cơ.
- Ở cơ cấu này, hai trục cam được bố trí trên nắp máy Một trục cam điều khiển xupap nạp, một trục cam điều khiển xupap thải.
- Mỗi xylanh trang bị 4 xupap.
Sự truyền động từ trục khuỷu lên trục cam được thực hiện bằng xích.
Khi trục cam quay, cam tác động lên con đội để điều khiển xupap đóng mở.
Mỗi xylanh có 4xupap, hai xupap nạp và hai xupap thải Đường kính đầu xupap nạp lớn hơn đường kính xupap thải.
Xupap có tác dụng đóng mở các của nạp và cửa thải.
Xupap được chế tạo bằng thép đặc biệt vì làm việc ở nhiệt độ cao, va đập mạnh và bào mòn hóa học.
Xupap được chia làm 3 phần: đầu, thân và đuôi. Đầu xupap có dạng hình nón cụt, bề mặt xupap dùng để làm kín.
Thân xupap chuyển động trong ống kềm xupap có dạng hình trụ và cần được lắp ghép chính xác để đảm bảo sự chuyển động chính xác của xupap Việc này giúp ngăn ngừa nhớt vào buồng đốt và khí cháy từ buồng đốt làm hỏng dầu nhờn Đuôi xupap không chỉ nhận lực tác động từ con đội mà còn giữ lò xo xupap.
- Lò xo xupap đảm bảo cây xupap chuyển động theo đúng quy luật khi động cơ hoạt động.
- Móng hãm được đặt vào đế trên và lồng vào rãnh đuôi xupap để đảm bảo xupap đóng kín với một lực ép ban đầu của lò xo.
- Con đội được đặt tiếp xúc với các cam trên trục cam Khi làm việc con đội chuyển động trong các xylanh của nó.
Hình 3.23: Con đội – trục cam
Hệ thống bôi trơn
- Làm giảm ma sát cho các chi tiết chuyển động.
- Có tác dụng làm kín piston, xéc măng và lòng xylanh.
- Làm mát các chi tiết động cơ.
- Bảo vệ bề mặt các chi tiết, chống rỉ sét.
- Lôi cuốn các hạt mài mòn xuống Cacte.
- Làm cho các chi tiết làm việc êm dịu, giảm tiếng ồn.
Hình 3.24: Hệ thống bôi trơn
- Bơm nhớt hút nhớt từ cacte qua lưới thô để cung cấp cho hệ thống.
- Nhớt từ bơm sẽ đi đến lọc tinh Sau khi lọc sạch, nhớt sẽ được cung cấp đến mạch dầu chính ở thân máy.
- Nhớt từ mạch dầu chính sẽ được phân phối đến: cố trục khuỷu, nắp quy lát.
- Từ cổ trục khuỷu, nhớt sẽ đến làm trơn các chốt khuỷu.
- Từ nắp quy lát, nhớt sẽ đến làm trơn các cổ trục cam, và đến van điều khiển nhớt của bộ điều khiển VVT-i.
- Ngoài ra từ mạch dầu chính, nhớt còn được đưa đến bôi trơn xích cam, bộ tăng xích.
- Sau khi bôi trơn xong, nhớt sẽ được đưa trở lại cacte.
Hình 3.25: Sơ đồ khối hệ thống bôi trơn
- Bơm nhớt hút nhớt từ cacte, sau đó cung cấp đến các chi tiết chuyển động của động cơ dưới một áp suất nhất định.
- Bơm nhớt được dẫn động từ trục khuỷu.
- Lưới lọc thô đặt bên dưới cacte dầu Do lưới lọc được kết nối với mạch hút của bơm nhớt nên phải đảm bảo độ kín của nó.
Trong quá trình sử dụng, nhớt động cơ dễ bị lẫn với cặn bã như mạt kim loại và tạp chất, gây mài mòn nhanh chóng và giảm tuổi thọ của động cơ Để bảo vệ động cơ khỏi những tác hại này, việc lắp đặt một bộ lọc nhớt sau bơm nhớt là cần thiết.
+ Công tắc áp suất nhớt
Hình 3.29: Công tắc áp suất nhớ
Khi áp suất dầu giảm xuống dưới 19,6 ± 4,9 kPa (0,2 ± 0,05 kG/cm²) hoặc thấp hơn, công tắc dầu sẽ tự động đóng lại Điều này xảy ra khi động cơ tắt máy hoặc áp suất dầu thấp hơn mức quy định, dẫn đến đèn cảnh báo áp suất nhớt bật sáng.
Khi áp suất dầu đạt mức cao từ 19,6 ± 4,9 kPa (0,2 ± 0,05 kG/cm²) trở lên, động cơ khởi động sẽ làm cho áp suất nhớt vượt qua ngưỡng quy định Điều này dẫn đến việc dầu ép lên màng bên trong công tắc, khiến công tắc ngắt và đèn cảnh báo tắt.
Hình 3.30: Mạch báo áp suất nhớt
Hình 3.31: Mạch báo mức nhớt
Trong lọc nhớt, có một van an toàn được lắp song song với lõi lọc Khi lõi lọc bị bẩn, nếu chênh lệch áp suất giữa đường vào và đường ra vượt quá 1kg/cm2, van an toàn sẽ mở ra, cho phép một phần nhớt đi tắt qua lõi lọc để cung cấp cho động cơ Ngoài ra, ở đầu vào của lõi lọc có một van một chiều, có nhiệm vụ ngăn cản các chất bẩn quay trở lại bơm khi máy tắt, đồng thời giữ nhớt trong bầu lọc để cung cấp ngay lập tức cho các chi tiết động cơ khi khởi động lại.
Hệ thống làm mát
Trong quá trình hoạt động của động cơ, nhiên liệu liên tục được đốt cháy trong các xylanh, chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng Nhiệt độ của khí cháy có thể đạt đến 2500ºC, nhưng chỉ khoảng 25% năng lượng này được chuyển hóa thành công hữu ích Khoảng 45% nhiệt lượng bị mất qua khí thải và ma sát, trong khi 30% còn lại được truyền cho các bộ phận của động cơ.
Để ngăn ngừa quá nhiệt và hiện tượng bó kẹt ở các chi tiết động cơ, lượng nhiệt phát sinh cần được truyền ra môi trường bên ngoài Do đó, hệ thống làm mát được thiết lập nhằm làm nguội động cơ, bảo đảm hiệu suất hoạt động ổn định và bền bỉ.
Nước làm mát được lưu thông quanh các xylanh và bên trong nắp máy, giúp hệ thống làm mát loại bỏ nhiệt lượng sinh ra từ quá trình cháy, giữ cho động cơ luôn ở nhiệt độ lý tưởng.
Khi hệ thống làm mát gặp sự cố, động cơ sẽ bị quá nhiệt, dẫn đến nhiệt độ làm việc không đạt yêu cầu Điều này gây ra tổn thất nhiệt lớn, làm giảm chất lượng của hỗn hợp cháy và dẫn đến quá trình cháy không hoàn chỉnh.
Khi động cơ đang hoạt động, nếu nhiệt độ của động cơ thấp, van hằng nhiệt sẽ đóng lại, giúp chất lỏng làm mát tuần hoàn bên trong động cơ và làm ấm khoang hành khách.
Hình 3.32: Van hằng nhiệt đóng
Khi nhiệt độ động cơ tăng cao, van hằng nhiệt mở ra, cho phép nước làm mát thoát ra khỏi động cơ và truyền nhiệt qua ống dẫn đến các ống tản nhiệt, nơi nhiệt được không khí mang đi Nước làm mát từ phần dưới của két nước được dẫn đến bơm nước, giúp đẩy nước tuần hoàn quanh xylanh và lên nắp máy.
Hình 3.33: Van hằng nhiệt mở
Bơm nước được sử dụng là kiểu bơm nước li tâm.
Chất lỏng làm mát được đưa vào bơm, và khi bơm quay, lực ly tâm khiến nước văng ra ngoài các cánh quạt, sau đó được đẩy vào thân máy của động cơ.
Nhiệt độ lý tưởng của chất làm mát phụ thuộc vào từng loại động cơ, với hiệu suất tối ưu đạt được khi nhiệt độ chất làm mát nằm trong khoảng từ 85 đến 95ºC.
Khi khởi động động cơ trong điều kiện nhiệt độ thấp, việc tăng nhanh nhiệt độ làm mát là rất quan trọng, đặc biệt là trong thời tiết lạnh Do đó, van hằng nhiệt được thiết kế để tăng cường nhiệt độ động cơ một cách nhanh chóng và duy trì sự ổn định của nhiệt độ động cơ.
Van hằng nhiệt là thiết bị tự động điều chỉnh việc đóng mở dựa trên nhiệt độ của nước làm mát, được lắp đặt giữa két nước và động cơ Khi nhiệt độ nước thấp, van sẽ đóng để giữ nước làm mát trong két Ngược lại, khi nhiệt độ tăng cao, van sẽ mở ra, cho phép nước làm mát lưu thông ra ngoài.
Hình 3.37: Cấu tạo van hằng nhiệt
Van hằng nhiệt hoạt động nhờ một loại sáp nhạy cảm với nhiệt độ được đặt bên trong xylanh Khi động cơ ở trạng thái lạnh, sáp tồn tại ở dạng rắn, giữ cho van đóng lại nhờ lực của lò xo Khi nhiệt độ nước làm mát tăng lên, sáp sẽ tan chảy và giãn nở, đẩy van mở ra, cho phép nước làm mát từ két nước lưu thông trong động cơ.
Quạt làm mát hoạt động bằng cách hút không khí mát từ bên ngoài và dẫn qua bề mặt két nước, giúp thu nhiệt từ chất làm mát Đầu cánh quạt được bao kín để tối ưu hóa luồng không khí đi qua két nước.
Hình 3.39: Động cơ điện dẫn động quạt
- Sơ đồ mạch điện điều khiển quạt
Hình 3.40: Sơ đồ mạch điện điều khiển quạt làm mát hai chế độ
Nước nóng được dẫn qua các áo nước và sau đó chảy vào két làm mát, bao gồm ngăn chứa phía trên, ngăn chứa phía dưới và các ống dẫn nước được bố trí ở giữa.
Nước nóng từ nắp máy được dẫn vào phần trên của két nước, nơi có nắp để nạp nước mới, kết nối với thùng nước dự trữ qua ống cao su Ngăn nước phía dưới liên kết với bơm nước của động cơ và được trang bị van xả nước.
Hình 3.42: Cấu tạo két nước
Nắp két nước nằm trên đỉnh của két nước, có chức năng giữ kín và duy trì áp suất bên trong, giúp nâng cao nhiệt độ sôi của nước vượt quá 100ºC Trong nắp này có van giảm áp và van chân không Khi nhiệt độ nước tăng, thể tích nước cũng gia tăng, dẫn đến áp suất tăng Nếu áp suất vượt quá 0,8 kgf/cm2, van giảm áp sẽ tự động mở để giới hạn áp suất.
Hệ thống nhiên liệu
- Có nhiệm vụ cung cấp một lượng nhiên liệu nhất định, đúng thời điểm và phù hợp với các chế độ làm việc vào buồng cháy động cơ.
Hệ thống nhiên liệu bao gồm các thành phần chính như thùng chứa nhiên liệu, bơm nhiên liệu, lọc nhiên liệu, các đường ống dẫn, bộ dao động, ống phân phối, kim phun, kim phun khởi động và bộ điều áp, tất cả đều phối hợp chặt chẽ để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho động cơ.
Hình 3.44: Hệ thống nhiên liệu
Khi bơm nhiên liệu hoạt động, nhiên liệu được hút từ thùng chứa qua bộ lọc và dẫn đến bộ dập dao động để vào ống phân phối Tại đây, nhiên liệu được cung cấp cho các kim phun, trong khi lượng nhiên liệu thừa sẽ trở về thùng chứa thông qua bộ điều áp.
- Sơ đồ khối của hệ thống nhiên liệu.
- Bơm nhiên liệu được đặt bên trong thùng nhiên liệu, và được tích hợp với bộ lọc nhiên liệu; bộ điều áp; bộ đo nhiên liệu.
Hình 3.46: Cụm bơm nhiên liệu và vị trí của các chi tiết
Bơm quay hút nhiên liệu từ thùng chứa và cung cấp cho hệ thống với áp suất nhất định, đi qua bộ lọc và bộ dập dao động trước khi vào ống phân phối Nhiên liệu thừa sẽ trở về thùng chứa qua bộ điều áp Tại ống phân phối, nhiên liệu được cung cấp cho các kim phun trên đường ống nạp của động cơ Dưới áp suất, khi kim van mở, nhiên liệu sẽ được phun gián đoạn vào đường ống nạp theo chu kỳ.
Kiểu bơm được sử dụng là kiểu bơm Tuabin, gồm có thân bơm; cánh bơm và được dẫn động bằng một động cơ điện một chiều.
Khi rotor của động cơ điện quay, các cánh bơm cũng quay theo, đẩy nhiên liệu từ mạch hút ra mạch thoát Lượng nhiên liệu này đi qua khe hở giữa rotor và stator, làm mở van một chiều để cung cấp nhiên liệu vào hệ thống Bên trong bơm có van an toàn để giảm áp lực, đảm bảo hoạt động ổn định cho bơm.
Van một chiều được lắp đặt ở mạch ra của bơm nhằm tạo áp suất dư trong hệ thống khi động cơ ngừng hoạt động, giúp động cơ khởi động một cách dễ dàng và nhanh chóng.
Khi dừng động cơ khi còn nóng, nhiệt độ nhiên liệu trong đường ống quanh ôtô sẽ tăng cao, giúp áp suất dư trong hệ thống ngăn chặn sự tạo bọt nhiên liệu.
Lọc nhiên liệu là quá trình loại bỏ các tạp chất trong nhiên liệu, giúp hệ thống nhiên liệu hoạt động chính xác Sau khi được lọc, nhiên liệu sẽ được chuyển đến bộ dập dao động để tiếp tục quá trình sử dụng.
Bộ dập dao động được sử dụng để giảm thiểu các xung nhiên liệu do bơm và kim phun tạo ra trong quá trình phun Cấu trúc chính của bộ dập bao gồm một màng và một lò xo, giúp hấp thụ các dao động áp suất trong hệ thống.
Hình 3.49: Bộ dập dao động
- Bộ điều áp có công dụng giữ cho áp suất phun là không đổi.
Khi bơm quay, áp suất nhiên liệu làm cho màng bộ điều áp di chuyển và lò xo bị nén, dẫn đến lượng nhiên liệu thừa thoát qua van điều áp về thùng nhiên liệu Áp suất nhiên liệu cung cấp cho hệ thống được duy trì ổn định trong khoảng 3,1 – 3,5 kgf/cm2, và mức áp suất này được xác định bởi lò xo bên trong bộ điều áp.
Hình 3.51:Vòi phun nhiên liệu
Vòi phun nhiên liệu hoạt động bằng cách phun nhiên liệu vào các cửa nạp của xylanh theo tín hiệu điện từ ECU động cơ Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây, từ trường được tạo ra sẽ nâng Piston lên, giúp phun nhiên liệu hiệu quả.
Hình 3.52: Cấu tạo vòi phun
Vòi phun bao gồm thân và kim phun trong ống từ, với thân chứa cuộn dây điều khiển kim phun Khi không có điện, lò xo đẩy kim phun vào vị trí đóng Ngược lại, khi có dòng điện, kim phun được nâng lên, cho phép nhiên liệu phun vào các cửa nạp.
Hình 3.53: Ví trí đặt vòi phun
Các vòi phun lắp trên ống phân phối cần đảm bảo cách nhiệt để ngăn chặn hiện tượng tạo bọt, từ đó cải thiện hiệu suất động cơ khi khởi động trong điều kiện nóng Ngoài ra, việc sử dụng gioăng chữ O cũng rất quan trọng nhằm ngăn chặn rò rỉ nhiên liệu.
Hình 3.54: Lắp vòi phun trên ống phân phối
Đầu vòi phun được lắp đặt trong đường ống nạp thông qua các vòng đệm cao su, giúp cách nhiệt, giảm rung động và ngăn chặn không khí xâm nhập vào đường ống.
Hệ thống điều khiển thời điểm phối khí (VVT-i)
Bộ điều khiển này gồm có phần vỏ được dẫn động bởi xích cam và các bộ cánh van cùng với trục cam nạp.
Hình 3.55: Cấu tạo hệ thống điều khiển VVT-i
* Sơ đồ vị trí của hệ thống
Hình 3.56: Sơ đồ bố trí hệ thống điều khiển VVT-i
* Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thay đổi thời điểm phối khí
ECU động cơ sẽ tính ra thời điểm mở xupáp tối ưu tương ứng với tín hiêu của các cảm biến như sau:
Hình 3.57: Sơ đồ điều khiển hệ thống VVT-i
* Mô tả, thành phần và cấu trúc của hệ thống
Hệ thống điều khiển thời điểm phối khí thông minh trên động cơ 1NZ-FE giúp tối ưu hóa hiệu suất và công suất, mang lại mô men cao ở tốc độ thấp và trung bình Điều này không chỉ cải thiện độ ổn định ở tốc độ cầm chừng mà còn tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm, góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động của động cơ.
Hệ thống điều khiển thời điểm khối khí thông minh tự động điều chỉnh thời gian đóng mở của xu páp dựa trên tải và tốc độ động cơ ECU đảm nhiệm việc điều khiển thời điểm này thông qua van OCV, giúp xoay trục cam sớm hoặc muộn để tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
Thời điểm đóng mở của xu páp được điều chỉnh dựa trên nhiều yếu tố, bao gồm tín hiệu từ cảm biến tốc độ động cơ, bộ đo gió, cảm biến vị trí bướm ga và cảm biến nhiệt độ nước làm mát ECU sẽ so sánh các tín hiệu này với góc phân phối khí thực tế để tối ưu hóa mô men và công suất của động cơ.
* Các thành phần của VVT-i:
Cảm biến vị trí trục khuỷu và cảm biến vị trí trục cam xác định vị trí của trục cam đang hoạt động thực tế.
Cảm biến số vòng quay động cơ, cảm biến khối lượng không khí nạp và cảm biến vị trí bướm ga đóng vai trò quan trọng trong việc xác định thời điểm hiệu chỉnh hệ thống, nhằm tối ưu hóa hiệu suất động cơ theo tải và số vòng quay thay đổi.
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát và tín hiệu tốc độ xe là thông số hiệu chỉnh để trục cam đạt được vị trí tối ưu nhất.
Dựa vào tín hiệu từ các cảm biến, ECU sẽ phát tín hiệu xung thích hợp đến van dầu OCV để điều chỉnh vị trí trục cam một cách tối ưu Góc xoay của trục cam có thể lên tới 50 so với trục khuỷu.
Dầu sử dụng trong hệ thống là dầu bôi trơn động cơ.
Hệ thống VVT-i bao gồm bộ điều khiển VVT, mạch dầu, OCV
Hình 3.58: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển thay đổi thời điểm phối khí
Van điều khiển dầu OCV:
Van điều khiển dầu OCV (Oil Control Valve) là thiết bị điều khiển thời điểm của trục cam, hoạt động dưới sự điều khiển của ECU Van này có chức năng phân phối dầu đến bộ điều khiển VVT-i, giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
Cấu trúc của van bao gồm cuộn dây điều khiển từ ECU và van phân phối dầu đến bộ điều khiển VVT-I ECU điều chỉnh bề rộng xung cho cuộn dây nhằm thay đổi vị trí piston, giúp phân phối dầu tương ứng với chế độ tải và tốc độ động cơ Vị trí của van được xác định bởi lực từ và lực đàn hồi của lò xo.
Khi ECU tăng bề rộng xung, lực từ sẽ làm van di chuyển, vượt qua lực căng của lò xo để mở dầu cung cấp đến bề mặt làm sớm Để điều chỉnh thời điểm, ECU giảm bề rộng xung, khiến lực đẩy của lò xo đưa van trở lại vị trí trễ Khi trục cam đạt vị trí mong muốn, ECU sẽ điều khiển van giữ ở vị trí ổn định.
Bộ điều khiển thời điểm mở của cam bao gồm một vỏ dẫn động bởi trục cam nạp và một van cố định với trục cam nạp Áp suất dầu từ phía làm trục cam sẽ điều chỉnh thời điểm xoay sớm hoặc muộn, qua đó thay đổi thời điểm mở và đóng của các xú pap nạp nhờ vào việc xoay van của bộ điều khiển VVT-i.
Khi động cơ dừng, trục cam sẽ xoay về phía thời điểm mở trễ nhất để đảm bảo khả năng khởi động lại Trong quá trình khởi động, áp suất dầu không được cung cấp đến bộ điều khiển.
* Các chế độ làm việc:
Dựa vào các tín hiệu từ nhiệt độ nước làm mát, lưu lượng không khí nạp, vị trí bướm ga và tốc độ động cơ, ECU có khả năng nhận diện điều kiện làm việc của động cơ và thực hiện tính toán để xác định chế độ hoạt động cho hệ thống.
* Chế độ điều khiển sớm.
ECU xác định thời điểm mở sớm của tục cam dựa trên các tín hiệu từ nhiệt độ nước làm mát, lưu lượng không khí nạp, cảm biến vị trí bướm ga và tốc độ động cơ.
Hình 3.59: Mạch dầu điều khiển van VVT-i
Khi ECU điều khiển mở sớm, áp suất từ van dầu được truyền đến bộ điều khiển VVT-i, dẫn đến việc khoang cánh gạt di chuyển về phía sớm, giúp xoay trục cam để điều chỉnh việc mở sớm xú pap.
- Chế độ điều khiển trễ.
Khi ECU điều khiển mở trễ, áp suất từ van dầu được truyền đến bộ điều khiển VVT-i, dẫn đến việc khoang cánh gạt phía trễ xoay trục cam, điều chỉnh thời điểm mở xupap.
- Chế độ giữ cố định:
Khi ECU xác định thời điểm tối ưu để mở sớm cam nạp cho một chế độ hoạt động cụ thể, nó sẽ điều chỉnh van dầu khóa dầu cung cấp cho bộ điều khiển VVT-i, nhằm duy trì góc phân phối khí hiện tại.
* Mạch điều khiển bơm nhiên liệu
Hệ thống giữ quay khởi động
Hệ thống điều khiển khởi động duy trì cấp điện cho rơ le máy khởi động khi ECM nhận tín hiệu từ khóa điện (Tín hiệu STSW) cho đến khi xác định "động cơ đã nổ" Đồng thời, ECM gửi tín hiệu cắt trang bị phụ (Tín hiệu ACCR) đến rơ le cắt ACC trong quá trình đề nổ, nhằm tránh làm tối bảng đồng hồ táp lô, đèn và hệ thống âm thanh.
Khi ECM phát hiện tín hiệu STSW, nó sẽ gửi tín hiệu STAR để kích hoạt rơ le khởi động, qua đó khởi động máy đề Sau khi động cơ quay, ECM sẽ nhận tín hiệu NE để theo dõi tốc độ động cơ Đặc biệt, khi tín hiệu NE đạt đến giá trị nhất định, ECM sẽ ngừng phát tín hiệu STAR.
Ngoài ra ECM theo dõi trạng thái hoạt động của rơ le máy đề dựa trên trạng thái điện áp cực STA.
* Sơ đồ mạch điện hệ thống giữ quay khởi động
Hình 3.63: Sơ đồ mạch giữ quay khởi động
* Mạch bộ chấp hành vị trí trục cam “A” (Thân máy một)
Hình 3.64: Sơ đồ mạch điện van điều khiển dầu phối khí trục cam
* Mô tả, nguyên lý làm việc:
Hệ thống thay đổi thời điểm phối khí (VVT) bao gồm ECM, van điều khiển dầu (OCV) và bộ điều khiển VVT ECM gửi tín hiệu điều khiển đến OCV dưới dạng xung hiệu dụng, điều này giúp kiểm soát áp suất dầu cho bộ điều khiển VVT Thời điểm phối khí trục cam được điều chỉnh dựa vào các điều kiện vận hành của động cơ như lượng khí nạp, vị trí bướm ga và nhiệt độ nước làm mát.
ECM điều khiển OCV dựa trên tín hiệu từ nhiều cảm biến, giúp điều chỉnh góc trục cam nạp thông qua áp suất dầu Kết quả là tối ưu hóa vị trí giữa trục cam và trục khuỷu, từ đó nâng cao mo-men động cơ, cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và giảm ô nhiễm khí thải ECM xác định thời điểm phối khí thực tế nhờ vào cảm biến vị trí trục cam và trục khuỷu, sau đó thực hiện điều khiển phản hồi để kiểm tra thời điểm phối khí mục tiêu.
THIẾT KẾ BẰNG BẢN VẼ CHI TIẾT VÀ CỤM CHI TIẾT CỦA ĐỘNG CƠ 1NZ-
CỦA ĐỘNG CƠ 1NZ-FE VÀ SẢN PHẨM
Hình 4.1 : Bản vẽ mô hình động cơ 1 NZ - FE
Hình 4.4 : Bánh răng dẫn động
Hình 4.24 : Giá tháo lắp động cơ
