Đồ án Tốt nghiệp- Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE

LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây ngành công nghiệp chế tạo ô tô đang trên đà phát triển mạnh mẽ, đặc biệt cùng với việc ứng dụng khoa học kỹ thuật công nghệ vào trong ngành đã đưa ngành công nghiệp chế tạo ô tô hoà nhập cùng với tốc độ phát triển của sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Do điều kiện kinh tế ngày càng nâng cao nên xe VIOS là loại xe do hãng TOYOTA chế tạo được đưa vào nước ta trong những năm gần đây để phục vụ nhu cầu đi lại của người dân, đặc biệt là người dân sống ở khu vực thành thị. Vì vậy việc tìm hiểu về tính năng kỹ thuật của xe, cụ thể là hệ thống nạp - thải là hết sức cần thiết đối với một sinh viên thuộc chuyên ngành động lực. Do đó em đã chọn đề tài “Khảo sát hệ thống nạp - thải trên động cơ 1NZ-FE " lắp trên xe VIOS. Đây là một cơ hội vô cùng thuận lợi để em củng cố những kiến thức cơ bản về hệ thống nạp thải trên động cơ nói chung, đồng thời trên cơ sở đó tìm hiểu những đặc điểm mới về kết cấu của hệ thống nạp - thải trên một động cơ mới được phát triển trong thời gian gần đây. Hệ thống nạp - thải đóng vai trò rất quan trọng trong việc cung cấp hoà khí cho chu trình làm việc của động cơ cũng như đưa sản phẩm cháy trong mỗi chu trình ra ngoài, đảm bảo yêu cầu nạp đầy và thải sạch của động cơ. Nó có ảnh hưởng rất lớn đến công suất động cơ và mức độ ô nhiễm môi trường do khí thải của động cơ. Vì vậy yêu cầu khi nghiên cứu về hệ thống nạp - thải là phải đặt nó trong mối quan hệ với các hệ thống khác của động cơ. Thực hiện đề tài này đòi hỏi sinh viên ngoài kiến thức về chuyên ngành còn phải có kỹ năng tìm kiếm những nguồn tài liệu mới, đặc biệt cần khai thác mạng thông tin toàn cầu internet. Bên cạnh đó cần trau dồi thêm khả năng ngoại ngữ chuyên ngành động cơ và ôtô. Do kiến thức còn nhiều hạn chế, kinh nghiệm chưa nhiều, tài liệu tham khảo còn ít và điều kiện thời gian không cho phép nên đồ án tốt nghiệp của em không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong các thầy cô giáo trong bộ môn chỉ bảo để đồ án của em được hoàn thiện hơn Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo hướng dẫn NGUYỄN QUANG TRUNG, các thầy cô giáo trong khoa Cơ Khí Giao Thông cùng tất cả các bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này. Đà nẵng ngày 28 tháng 5 năm 2009 Sinh viên thực hiện PHAN MINH TRUNG MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 1.Tổng quan về hệ thống nạp thải 6 1.1 Hệ thống nạp thải động cơ xăng 6 1.1.1 Đường nạp động cơ xăng dùng bộ chế hòa khí 7 1.1.2 Đường nạp động cơ phun xăng điện tử 8 1.1.3 Đường thải động cơ xăng 10 1.1.4 Phương án bố trí đường nạp và đường thải trên nắp máy động cơ xăng 11 1.2 Hệ thống nạp thải động cơ diezen 12 1.2.1 Đường nạp động cơ diezen 12 1.2.2 Đường thải động cơ diezen 13 1.2.3 Đường nạp thải của động cơ diezen tăng áp 13 1.2.4 Phương án bố trí đường nạp và đường thải trên nắp máy động cơ diezen 14 1.3. Các hệ thống phụ trợ cho quá trình nạp thải của động cơ đốt trong 15 1.4. Đặc điểm quá trình nạp-thải trong động cơ đốt trong. 15 1.4.1. Quá trình nạp. 16 1.3.2. Quá trình thải 20 2. Giới thiệu chung về động cơ 1NZ-FE. 21 2.1. Đặc điểm kết cấu các cụm chi tiết chính của động cơ 1NZ-FE 23 2.1.1.Cơ cấu trục khuỷu-thanh truyền-piston 23 2.1.2. Nhóm thân máy –nắp máy 24 2.1.3. Cơ cấu phân phối khí. 26 2.1.4. Hệ thống bôi trơn. 27 2.1.5. Hệ thống làm mát. 28 2.1.6. Hệ thống đánh lửa 29 2.1.7. Hệ thống nhiên liệu. 30 2.1.8. Hệ thống khởi động. 31 3. Khảo sát hệ thống nạp – thải động cơ 1NZ-FE. 32 3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống nạp-thải động cơ 1NZ-FE 32 3.2.Đường ống nạp. 33 3.2.1. Lọc không khí. 33 3.2.2. Cổ họng gió. 33 3.2.3. Bộ góp nạp. 36 3.2.4. Đặc điểm kết cấu và nguyên lý làm việc của các cảm biến trên đường nạp 36 3.3.Đường ống thải. 40 3.3.1. Bộ góp thải. 41 3.3.2. Bộ xúc tác 3 chức năng kết hợp hệ thống điều khiển hồi tiếp nhiên liệu 41 3.3.3. Bộ giảm âm chính. 46 3.4 Kết cấu nắp máy và phương án bố trí đường nạp- thải trên động cơ 1NZ-FE 47 3.5. Các hệ thống phụ trợ cho quá trình nạp thải động cơ 1NZ-FE 47 3.5.1. Hệ thống thông hơi cạc te. 48 3.5.2. Hệ thống điều khiển hồi lưu khí thải. 50 3.5.3. Hệ thống kiểm soát thải hơi xăng. 52 4.Tính toán các chu trình công tác của động cơ 1NZ-FE 54 4.1.Các số liệu ban đầu 55 4.2.Các thông số chọn 55 4.3.Tính toán các chu trình công tác 56 4.3.1. Quá trình nạp 56 4.3.2. Quá trình nén 58 4.3.3. Quá trình cháy 59 4.3.4. Quá trình giãn nở 61 4.3.5. Tính toán các thông số của chu trình công tác 62 4.3.6. Tính toán các thông số có ích 62 5. Kiểm tra bảo dưỡng các cụm chi tiết trong hệ thống nạp-thải động cơ 1NZ-FE. 65 5.1. Những hư hỏng thường gặp 65 5.2. Kiểm tra hệ thống thông hơi cạc te 66 5.3. Kiểm tra hệ thống kiểm soát sự thải hơi xăng 67 5.4. Kiểm tra hệ thống hồi lưu khí thải 67 5.5. Kiểm tra các cảm biến 68 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 1.Tổng quan về hệ thống nạp thải Hệ thống nạp thải có nhiệm vụ đưa hỗn hợp không khí- nhiên liệu vào buồng cháy để thực hiện quá trình cháy của động cơ, đồng thời đưa sản phẩm cháy từ buồng cháy thoát ra ngoài. Hệ thống nạp thải phải đảm bảo cung cấp đủ lượng hỗn hợp có thành phần hoà khí thích hợp với mọi chế độ hoạt động của động cơ, thải sạch sản phẩm cháy ra ngoài trong quá trình thải, sao cho hiệu suất động cơ là lớn nhất và giảm ô nhiễm môi trường, giảm tiếng ồn. 1.1 Hệ thống nạp thải động cơ xăng
Hình1-1 Sơ đồ tổng quan hệ thống nạp thải 1-Bộ lọc không khí; 2-Cổ họng gió; 3- Bộ góp nạp; 4-Bộ góp thải; 5-Bộ xử lý khí thải; 6-Bộ giảm âm. Không khí được hút vào xylanh động cơ qua bộ lọc không khí đến cổ họng gió, ở động cơ dùng bộ chế hòa thì hòa khí được hình thành tại đây nhờ độ chân không tại họng, từ đây không khí đến bộ góp nạp và đi vào buồng đốt. Sau khi hòa khí được đốt cháy, khí thải được dẫn vào đường ống thải tới bộ góp thải đi vào bộ xúc tác ba chức năng tại đây khí thải độc hại được khử thành các chất vô hại rồi theo ống dẫn khí thải qua bộ giảm âm thoát ra ngoài môi trường. Mỗi cụm chi tiết trong hệ thống nạp thải đều có một vai trò quang trọng trong việc đưa một lượng không khí sạch cần thiết vào trong buồng đốt động cơ và dẫn lượng khí thải đã xỷ lý ra ngoài môi trường. 1.1.1 Đường nạp động cơ xăng dùng bộ chế hòa khí
Hình 1-2 Sơ đồ đường nạp động cơ xăng dùng bộ chế hòa khí 1-Bướm ga; 2-Đường ống nhiên liệu; 3-Van kim; 4-Buồng phao; 5-Phao; 6-Ziclơ; 7-Đường ống nạp; 8-Vòi phun; 9-Họng; Không khí từ khí trời được hút qua bầu lọc vào đường ống nạp (7) qua họng (9) của bộ chế hoà khí, họng (9) làm cho đường ống bị thắt lại vì vậy tạo nên độ chân không khi không khí đi qua họng. Chỗ tiết diện lưu thông nhỏ nhất của họng là nơi có độ chân không nhỏ nhất. Vòi phun (8) được đặt tại tiết diện lưu thông nhỏ nhất của họng. Nhiên liệu từ buồng phao (4) qua ziclơ (6) được dẫn động tới vòi phun. Nhờ có độ chân không ở họng nhiên liệu được hút khỏi vòi phun và được xé thành những hạt sương mù nhỏ hỗn hợp với dòng không khí đi qua họng vào động cơ. Để bộ chế hoà khí làm việc chính xác thì nhiên liệu trong buồng phao luôn luôn ở mức cố định vì vậy trong buồng phao có đặt phao (5). Nếu mức nhiên liệu trong buồng phao hạ xuống thì phao (5) cũng hạ theo, van kim (3) rời khỏi đế van làm cho nhiên liệu từ đường ống (2) đi vào buồng phao. Phía sau họng còn có bướm ga (1) dùng để điều chỉnh số lượng hỗn hợp đưa vào động cơ. 1.1.2 Đường nạp động cơ phun xăng điện tử
Hình 1-3 Sơ đồ đường nạp động cơ phun xăng điện tử 1-Bộ lọc khí; 2-Cảm biến MAF; 3-Bướm ga; 4-Cổ họng gió; 5-Cảm biến vị trí bướm ga; 6-Đường ống nạp Không khí từ khí trời được hút qua bầu lọc, tín hiệu lưu lượng nhiệt độ khí nạp được truyền về ECU thông qua cảm biến MAF, từ đó ECU sẽ tính toán và định lượng phun cho phù hợp, sau đó dòng khí nạp tới cổ họng gió. Đây là thiết bị kiểm soát lượng không khí cho các động cơ dùng bộ chế hòa khí và phun nhiên liệu. Lượng không khí đi vào động cơ được điều tiết bởi độ mở của bướm ga.

Hình 1-4 Cổ họng gió 1- Bướm ga; 2- Cổ họng gió; 3-Cảm biến vị trí bướm ga; 4-Môtơ điều khiển bướm ga; 5-Cảm biến vị trí bàn đạp ga Trước đây góc mở bướm ga được điều khiển bằng cơ học thông qua các cơ cấu cơ khí nối từ bàn đạp ga đến bướm ga, hiện nay điều này đã được thay thế bằng hệ thống điều khiển bằng điện tử hiện đại. Dòng khí nạp từ cổ gió đi vào bộ góp nạp sau đó phân ra các nhánh đi vào xylanh động cơ Ở các động cơ hiện đại ngày nay hình dạng đường ống nạp đã được thiết kế cải tiến nhằm lợi dụng lực quán tính lưu động của dòng khí nạp để nạp thêm, những vật liệu mới như nhựa tổng hợp, sợi cacbon cho phép tạo dáng đường nạp có hệ số cản nhỏ, kích thước gọn nhẹ mà độ cách nhiệt cao hơn vật liệu kim loại.
Hình 1-5 Bộ góp nạp có đường nạp dạng xoắn ốc 1- Đường ống nạp; 2- Buồng tích áp Nguyên lý làm việc của bộ góp nạp có đường nạp dạng xoắn ốc là dựa vào hình dạng thiết kế đặc biệt dạng xoắn ốc của đường nạp để tạo ra hiệu ứng lưu động dòng khí nạp. Từ đó làm tăng lượng khí nạp thêm vào xylanh động cơ ở kỳ nạp. Ngoài ra một số bộ góp nạp còn có đường nạp được phân khúc- khi động cơ chạy ở tốc độ thấp, đường nạp dài; khi động cơ chạy ở tốc độ cao, đường nạp ngắn nhờ sự đóng mở của van biến thiên đường nạp.
Hình 1-6 Bộ góp nạp có đường nạp biến thiên. a) Van biến biến thiên đường nạp đóng; b) Van biến biến thiên đường nạp mở 1 - Buồng tích áp; 2 - Van biến thiên đường nạp. Nguyên lý làm việc của bộ góp nạp có chiều dài đường nạp biến thiên Khi tốc độ động cơ nhỏ, van biến thiên đường nạp đóng. Ở điều kiện này, chiều dài khoảng tác động của đường nạp là từ xupáp nạp đến buồng tích áp là đường nạp dài, với tác dụng của lực quán tính khí nạp, lượng không khí nạp được tăng lên, mô-men xoắn của động cơ cũng tăng lên ở vòng quay từ thấp đến trung bình. Khi tốc độ động cơ lớn, van biến thiên đường nạp mở. Ở điều kiện này, chiều dài khoảng tác động đường nạp là từ xupáp nạp đến buồng tích áp là đường nạp ngắn ( như hình-a). Lực quán tính khí nạp đã đạt được ở tốc độ động cơ cao nên cổ nạp ngắn lại làm tăng lượng khí nạp vào trong xilanh và mô-men xoắn của động cơ cũng tăng lên theo ở tốc độ cao. 1.1.3 Đường thải động cơ xăng
Hình 1-7 Sơ đồ đường thải động cơ xăng 1- Đường ống thải; 2- Cảm biến oxy chính ;3- Bộ xúc tác 3 chức năng 4- Cảm biến oxy phụ; 5- Bộ giảm âm Đường ống thải của động cơ có nhiệm vụ đưa khí cháy từ buồng cháy ra ngoài môi trường qua đó tạo điều kiện cho việc nạp đầy môi chất mới vào trong xilanh động cơ. Bên cạnh đó đường ống thải của động cơ cũng cần đảm bảo cho việc khí xả thoát ra ngoài môi trường ít gây ô nhiễm môi trường. Trên đường thải của động cơ xăng dùng bộ chế hòa khí không được trang bị bộ lọc khí thải 3 thành phần (TWC) và cảm biến oxy, chỉ ở động cơ phun xăng điện tử mới trang bị TWC, vì nó chỉ có thể hoạt động có hiệu quả khi đi kèm với hệ thống thông tin phản hồi về hỗn hợp không khí-nhiên liệu bằng cách theo dõi lượng oxy trong khí thải bỡi cảm biến oxy đặt trên đường ống thải. Ở một số xe đời mới có trang bị 2 cảm biến oxy, cảm biến oxy chính dùng để xác định nồng độ oxy trong khí thải, gửi tín hiệu điện về ECU xử lý để định lượng nhiên liệu phun thích hợp. Các hư hỏng của bộ lọc khí thải có thể phát hiện bằng cách so sánh tín hiệu của hai cảm biến oxy chính và phụ. 1.1.4 Phương án bố trí đường nạp và đường thải trên nắp máy động cơ xăng Đối với động cơ xăng dùng bộ chế hòa khí do đặc điểm hòa khí được hình thành ngoài buồng cháy, tại họng khuếch tán nhờ độ chân không tai họng, do vậy hòa khí hình thành chưa được đồng nhất, để tạo điều kiện cho không khí và nhiên liệu hòa trộn tốt hơn thì nhiệt độ cao của dòng khí thải đã được tận dụng để sấy nóng dòng khí nạp bằng cách bố trí đường nạp và thải sen kẻ nhau.
Hình 1-8 Sơ đồ bố trí đường nạp và thải cùng phía sen kẻ 1-Nắp máy ;2- Đường thải ;3- Đường nạp Hoặc có thể bố trí đường nạp và thải về hai phía, ở trường hợp này nhiệt độ của nước làm mát động cơ được sử dụng để gia nhiệt cho dòng khí nạp.
Hình 1-9 Sơ đồ bố trí đường nạp và thải khác phía Nắp máy; 2- Đường thải; 3- Đường nạp Còn đối với động cơ phun xăng điện tử, hòa khí được hình thành rất tốt nhờ kim phun, đường nạp chỉ có nhiệm vụ nạp không khí vào buồng đốt nên để tránh sự truyền nhiệt từ nắp máy và dòng khí thải, đường ống nạp được làm bằng nhựa cách nhiệt rất tốt và đường nap-thải được bố trí về hai phía khác nhau. 1.2 Hệ thống nạp thải động cơ diezen
Hình 1-10 Sơ đồ tổng quan hệ thống nạp thải động cơ diezen 1-Bộ lọc không khí ; 2-Đường ống nạp; 3-Đường ống thải; 4-Bộ xúc tác; 5-Bộ giảm âm 1.2.1 Đường nạp động cơ diezen
Hình 1-11 Sơ đồ đường nạp động cơ diezel có bộ sưỡi không khí 1-Bộ sưỡi không khí; 2-Ống góp nạp; 3-Đường ống nạp Không khí được hút vào xylanh động cơ qua bộ lọc không khí rồi đến ống góp nạp, đối với các nước có khí hậu lạnh trên động cơ có hệ thống sưỡi ấm không khí được trước khi vào các xylanh động cơ bằng dây điện trở đặt tại ống góp nạp, hoặc bugi sưỡi trong buồng đốt động cơ, điều này giúp máy dễ nỗ khi khởi động lạnh Còn đối với động cơ diezen sử dụng ở các nước có khí hậu nóng thì không có bộ sưỡi không khí. Ở động cơ cummunrai, là động cơ diezen hiện đại nên trên đường nạp còn có cảm biến để đo lưu lượng nhiệt độ khí nạp (MAF), và luôn có máy nén tăng áp. 1.2.2 Đường thải động cơ diezen
Hình 1-12 Sơ đồ đường thải động cơ diezel 1- Đường ống thải ;2- Ống góp thải; 3-Bộ giảm âm Hỗn hợp nhiên liệu sau khi cháy được dẫn ra khỏi xylanh động cơ bỡi các nhánh ống thải, đi vào ống góp thải tới bộ giảm âm rồi thải ra ngoài môi trường 1.2.3 Đường nạp thải của động cơ diezen tăng áp
Hình 1-13 Sơ đồ nạp thải của động cơ diezen tăng áp 1-Động cơ; 2-Mạch giảm tải; 3-Van điều tiết; 4-Máy nén ; 5-Bầu lọc không khí; 6-Bộ làm mát trung gian;7- Khoang khí nạp. Ở động cơ diezen, tận dụng dụng năng lượng của dòng khí thải, trên đường ống thải có bố trí tuabin tăng áp để tăng áp dòng khí nạp Dòng khí thải đi vào bánh tuabin truyền động năng làm quay trục dẫn động bánh nén, khí nạp được tăng áp đi vào đường ống nạp động cơ. Áp suất tăng áp khí nạp phụ thuộc vào tốc độ động cơ (tốc độ dòng khí thải hay tốc độ quay của bánh tuabin ). Với mục đích ổn định tốc độ quay của bánh tuabin trong khoảng hoạt động tối ưu theo số vòng quay của động cơ trên đường nạp có bố trí mạch giảm tải. Mạch giảm tải làm việc nhờ van điều tiết thông qua đường khí phản hồi và cụm xi lanh. Khi áp suất tăng van mở 1 phần khí thải không qua bánh tuabin, thực hiện giảm tốc độ cho bánh nén khí nạp, hạn chế sự gia tăng quá mức của áp suất khí nạp. Van điều tiết và mạch giảm tải: Van điều tiết được gắn vào vỏ tuabin. Khi động cơ làm việc ở tải cao, áp suất khí thải rất lớn, vì thế cánh tuabin làm việc với tốc độ cao làm tăng cao áp suất không khí nạp, nạp vào động cơ. Mạch giảm tải làm nhiệm vụ điều khiển van điều tiết thải bớt khí thải động cơ từ trước cửa vào tuabin, ra trực tiếp ống thải. 1.2.4 Phương án bố trí đường nạp và đường thải trên nắp máy động cơ diezen Để tránh sự truyền nhiệt từ đường dẫn khí thải làm giảm lượng khí nạp vào động cơ dẫn tới làm giảm công suất động cơ, nên đường nạp và đường thải ở động cơ diezen thường được bố trí về hai phía
Hình 1-14 Sơ đồ bố trí đường nạp và thải hai phía khác nhau 1- Nắp máy;2- Đường thải; 3- Đường nạp
Hình 1-15 Sơ đồ bố trí đường nạp và thải hai phía khác nhau 1- Nắp máy;2- Đường thải; 3- Đường nạp 1.3. Các hệ thống phụ trợ cho quá trình nạp thải của động cơ đốt trong Để hạn chế các chất ô nhiễm trong khí thải và tối ưu hoá quá trình làm việc của động cơ. Trong động cơ đốt trong còn có các hệ thống phụ trợ sau: + Hệ thống thông hơi cạc te Khe hở giữa pittông và xylanh được bít kín nhờ xéc măng nhưng bản thân xec măng cũng không làm kín được hoàn toàn, hơi xăng và khí cháy sẽ len lỏi qua khe hở này trong các trường hợp: xì qua khe hở có sẵn; xì qua khi áp suất trong xylanh tăng cao vào kỳ nén và kỳ nỗ; hoặc xì ngược lại khi áp suất trong xylanh giảm xuống hay áp suất trong cạc te tăng cao. Khí lọt xuống hộp trục khuỷu gồm có HC, CO, bồ hóng, muội than, hơi nước, lưu huỳnh và axit. Các chất này nếu không đưa ra khỏi cạc te sẽ làm cho chi tiết máy bị ăn mòn bởi lưu huỳnh và axít, nhớt bị phân hủy tạo thành sình bùn đọng dưới đáy cạc te gây tắc nghẽn mạch nhớt. Để tránh ô nhiễm môi trường và giữ sạch cacte nên trên các động cơ có bố trí hệ thống thông hơi cạc te kín. + Hệ thống điều khiển hồi lưu khí thải Hệ thống hồi lưu khí thải ( EGR ) là một hệ thống dùng để đưa một phần khí thải vào tái tuần hoàn trong hệ thống nạp khí, khí thải được trộn lẫn với hỗn hợp không khí-nhiên liệu thì sự lan truyền ngọn lửa trong buồng đốt bị chậm lại, bởi vì phần lớn khí thải là trơ (không cháy được) nhiệt độ cháy cũng giảm xuống (vì khí trơ hấp thụ nhiệt tỏa ra) từ đó làm giảm lượng khí độc hại NOx sinh ra. + Hệ thống kiểm soát thải hơi xăng Hệ thống kiểm soát thải hơi xăng là một hệ thống tạm thời hấp thụ hơi nhiên liệu vào bộ lọc than hoạt tính và dẫn nó vào động cơ để đốt cháy, nhờ vậy mà không cho nhiên liệu bay hơi từ thùng nhiên liệu lọt ra ngoài khí quyển gây ô nhiễm môi trường. Các hệ thống phụ trợ này sẽ được tìm hiểu kỹ hơn ở phần khảo sát động cơ 1NZ-FE 1.4. Đặc điểm quá trình nạp-thải trong động cơ đốt trong. Hai quá trình nạp và thải liên quan mật thiết với nhau, tuỳ theo số kỳ của động cơ và phương pháp thải nạp, có những thời điểm chúng xảy ra cùng một lúc. Vì vậy khi phân tích quá trình nạp cần lưu ý đến những thông số đặc trưng của quá trình thải, tức là phải xét chung các hiện tượng của quá trình thay đổi môi chất. Trong động cơ 4 kỳ, quá trình thay đổi môi chất được thực hiện lúc bắt đầu mở xu páp thải (điểm b’ ). Từ b’ đến ĐCD nhờ chênh áp, sản vật cháy tự thoát ra đường thải. Sau đó, từ ĐCD tới ĐCT, nhờ sức đẩy cưỡng bức của piston, sản vật cháy được đẩy tiếp. Tại ĐCT (điểm r ), sản vật cháy chứa đầy thể tích buồng cháy Vc với áp suất pr > pthải, tạo ra chênh áp Δpr. Chênh áp Δpr phụ thuộc vào hệ số cản, tốc độ dòng khí n qua xu páp thải và vào trở lực của bản thân đường thải. Xu páp thải thường được đóng sau ĐCT (đóng muộn ) nhằm tăng thêm giá trị “ tiết diện - thời gian “ mở cửa thải, đồng thời để tận dụng chênh áp Δpr và quán tính của dòng khí thải tiếp tục đẩy khí sót ra ngoài. 1.4.1. Quá trình nạp. Quá trình nạp môi chất mới vào xi lanh được thực hiện khi piston đi từ ĐCT xuống ĐCD. Lúc đầu ( tại điểm r ), do pr > pk (pk – áp suất môi chất mới trước xu páp nạp ) và do p r> pth nên một phần sản vật cháy trong thể tích Vc vẫn tiếp tục chạy ra ống thải, bên trong xi lanh khí sót giãn nở đến điểm ro rồi từ đó trở đi, môi chất mới có thể bắt đầu nạp vào xi lanh.
Hình 1-16. Đồ thị công của quá trình trao đổi khí trong động cơ 4 kỳ Quá trình nạp lệ thuộc vào rất nhiều yếu tố, khiến cho môi chất mới nạp vào xi lanh trong mỗi chu trình nhỏ hơn lượng nạp lý thuyết, được tính bằng số môi chất mới chứa đầy thể tích công tác Vh có nhiệt độ Tk và áp suất pk của môi chất mới ở phía trước xu pap nạp (đối với động cơ điêden) hoặc của môi chất mới ở phía trước bộ chế hoà khí (đối với động cơ xăng). Các thông số sau đây ảnh hưởng chính tới quá trình nạp : + Áp suất cuối quá trình nạp pa Áp suất cuối quá trình nạp có ảnh hưởng lớn tới công suất động cơ. Muốn tăng áp suất cuối quá trình nạp người ta sử dụng các biện pháp sau : - Tạo đường nạp có hình dạng khí động tốt, tiết diện lưu thông lớn và phương hướng lưu động thay đổi từ từ, ít ngoặt. - Dùng xu páp có đường kính lớn hoặc dùng nhiều xu páp. Động cơ 1NZ-FE sử dụng hai xu páp nạp và hai xu páp thải cho mỗi máy, do đó tăng được lượng khí lưu thông trong mỗi chu trình, tăng áp suất pa. + Lượng khí sót : Cuối quá trình thải, xi lanh còn lưu lại 1 ít sản vật cháy gọi là khí sót. Trong quá trình nạp, số khí sót trên sẽ giãn nở, chiếm chỗ trong xi lanh và trộn với khí nạp mới ,làm giảm lượng khí nạp mới. Vì vậy giảm lượng khí sót sẽ làm tăng lượng khí nạp vào , làm tăng công suất động cơ. Các biện pháp sau làm giảm lượng khí sót : - Dùng động cơ tăng áp. Phương pháp này thường được sử dụng trên động cơ điêden do không bị hạn chế bởi khả năng kích nổ. - Tăng góc trùng điệp các xu páp nạp và thải. Phương pháp này áp dụng cho cả động cơ xăng và điêden. + Nhiệt độ sấy nóng môi chất mới ΔT Đi trên đường nạp và vào xi lanh, môi chất mới tiếp xúc với các bề mặt nóng của động cơ, được sấy nóng và tăng nhiệt độ lên một gia số ΔT. ΔT = ΔT t – ΔT b.h Trong đó : ΔT t- mức tăng nhiệt độ của môi chất mới do sự truyền nhiệt từ các bề mặt nóng ΔT b.h - mức giảm nhiệt độ của môi chất mới do bay hơi của nhiên liệu . ΔT = 20 ÷ 40oC - đối với động cơ điêden; ΔT = 0 ÷ 20oC - đối với động cơ xăng. + Nhiệt độ môi chất cuối quá trình nạp Ta Nhiệt độ môi chất cuối quá trình nạp Ta cũng ảnh hưởng tới mật độ môi chất mới nạp vào xi lanh. Tăng Ta làm giảm mật độ môi chất mới nạp vào xi lanh và ngược lại. Nhiệt độ môi chất cuối quá trình nạp Ta lớn hơn Tk ( nhiệt độ môi chất mới trước xu páp nạp ) và nhỏ hơn Tr ( nhiệt độ khí sót ) là do kết quả của việc truyền nhiệt từ các bề mặt nóng tới môi chất mới khi tiếp xúc và việc hoà trộn của môi chất mới với khí sót nhiều hơn. Các quá trình trên diễn ra riêng lẻ trên đường nạp hoặc đồng thời trên xi lanh động cơ. - Hệ số nạp : Hệ số nạp ηv là tỉ số giữa lượng môi chất mới thực tế nạp vào xi lanh ở đầu quá trình nén khi đã đóng các cửa nạp và cửa thải so với lượng môi chất mới lý thuyết có thể nạp đầy vào thể tích công tác của xi lanh Vh ở điều kiện áp suất và nhiệt độ môi chất phía trước xu páp nạp. Môi chất mới của động cơ điêden là không khí , của động cơ xăng là hoà khí của không khí và hơi xăng tạo thành. Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số nạp của động cơ 4 kỳ bao gồm: áp suất pa và nhiệt độ Ta của môi chất cuối quá trình nạp ; nhiệt độ sấy nóng môi chất mới ΔT ; hệ số khí sót γr ; nhiệt độ Tr và áp suất pr ; tỉ số nén ε; hệ số quét buồng cháy λ2 và hệ số nạp thêm λ1. Những thông số trên có liên hệ qua lại mật thiết với nhau và mỗi thông số lại phụ thuộc vào các yếu tố khác. Vì vậy song song với việc phân tích ảnh hưởng của từng thông số riêng biệt phải phân tích ảnh hưởng tổng hợp của chúng tới hệ số nạp ηv theo các chế độ làm việc cụ thể của động cơ - Các biện pháp chính làm tăng hệ số nạp và giảm cản cho đường nạp : Hệ thống đường nạp của động cơ gồm: bình lọc khí, bộ chế hoà khí, đường nạp chung, các nhánh nạp của các xi lanh và xu pap đều gây cản đối với dòng khí nạp. Làm thế nào để giảm cản cho hệ thống này là vấn đề đáng lưu ý. Muốn giảm trở lực của hệ thống cần có tiết diện lớn của đường thông qua đó giảm tốc độ của dòng chảy, cần chú ý đặc biệt đến lực cản cục bộ do chuyển hướng dòng hoặc do tăng giảm đột ngột tiết diện lưu thông của dòng tạo ra. Khi tìm biện pháp giảm cản cho đường nạp cần phải lưu ý tới nhiều yếu tố khác nhau. + Bình lọc Khi tìm cách giảm cản cho bình lọc, trước tiên phải chú ý tới hiệu quả lọc. Phải đòi hỏi giảm trở lực tới mức nhỏ nhất trên cơ sở đảm bảo tốt hiệu quả lọc. Trong lúc sử dụng cần thường xuyên bảo dưỡng bình lọc, tuyệt đối tránh không để dầu bẩn gây tắc lõi lọc giấy, phải thay lõi lọc kịp thời. + Bộ chế hoà khí Muốn cho họng đạt được tác dụng mong muốn lại giảm bớt trở lực, người ta lắp nối tiếp hai, ba họng lớn nhỏ khác nhau để nhiên liệu được phun vào họng nhỏ, nơi có độ chân không cao nhất, phần đuôi của họng nhỏ, đặt tại nơi thắt nhỏ nhất của họng lớn. Tiết diện lưu thông của họng lớn được chọn theo yêu cầu nạp môi chất mới của động cơ, còn họng nhỏ được chọn theo yêu cầu về độ chân không để hút và xé tơi nhiên liệu. + Đường ống nạp : Hình dạng, kích thước của ống nạp gây ảnh hưởng lớn tới hệ số nạp, tới mức độ phun tơi và bay hơi của nhiên liệu và sự phân phối về số lượng và thành phần hoà khí vào các xi lanh, đây là vấn đề tương đối phức tạp. Nếu làm tiết diện ống nạp lớn để giảm cản thì sẽ làm tăng tiêu hao nhiên liệu và thành phần hoà khí vào các xi lanh không đều nhau. Vì vậy một số động cơ xăng, muốn đạt yêu cầu ít tiêu hao nhiên liệu ở tải nhỏ, phải chấp nhận mất mát 1 ít công suất bằng cách dùng ống nạp có tiết diện nhỏ một chút. Và để hoà khí có thành phần và khối lượng đều nhau người ta còn cố ý gây ngoằn ngoèo ở một vài đoạn ống. + Các nhánh ống nạp tới các xi lanh và xu páp nạp: Trong hệ thống nạp của động cơ, xu páp nạp là nơi có tiết diện lưu thông nhỏ nhất nên trở thành bộ phận quan trọng nhất của lực cản đường nạp. Người ta thường giảm đường kính xu páp thải để tăng đường kính xu páp nạp, tăng hành trình cực đại, tăng tốc độ đóng mở các xu páp, tăng thời gian giữ xu páp ở vị trí mở lớn nhất để tăng khả năng lưu thông qua xu páp.