Bài giảng Tính toán thiết kế động cơ đốt trong - Trần Thanh Hải Tùng

ệ số phụ tải ứng với phụ tải trung bình cực đại. 
 2
 k ⎛ ∆ ⎞ 2
 φ = ⎜ ⎟ .10 −4 d- (cm); ∆ - (µm); µ - Độ nhớt của dầu (KG.s/m ). 
 µω ⎝ d ⎠
 Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng , Bộ môn Máy Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông 
Tính toán Động cơ đốt trong - Chương 9 * Tính toán hệ thống bôi trơn 9-6
 Sau khi có hệ số phụ tải φ, qua đồ thị hình 9.3 xác định χ theo tỷ số l/d. Áp suất 
ở đây được tính theo áp suất k’tb. 
 Tính khe hở nhỏ nhất của màng dầu: 
 hmin = δ(1-χ) 
 Đối với động cơ ô tô máy kéo hmin= 0.005 ÷ 0.006 mm. 
 Hệ số an toàn để bảo đảm điều kiện ma sát ướt: 
 h
 H = min ≥1,5 
 hminth
 Trong đó: hminth - Chiều dày tới hạn của màng dầu 
 hminth = h1 + h2 + ∆0 
 Trong đó : h1, h2 - Độ nhấp nhô bề mặt trục và ổ (bạc lót). 
 ∆0 - Sai số công nghệ gia công. 
 Đối với động cơ ô tô máy kéo hminth = 0,003 ÷ 0,004 mm 
 9.2. Lưu lượng dầu bôi trơn và lưu lượng của bơm 
 dầu: 
 Lượng dầu bôi trơn và làm mát ổ trục phụ thuộc số ổ trục và tổng diện tích ma 
sát. Có thể xác định lượng dầu nhờn qua ổ trục bằng phương pháp tính toán nhiệt của ổ 
trượt, rồi tổng hợp lại để tìm lưu lượng dầu nhờn cần cung cấp cho các mặt ma sát của 
động cơ. 
 Thực nghiệm cho thấy nhiệt lượng do dầu đem đi Qd thường chiếm khoảng 1,5 
÷2% tổng nhiệt lượng do nhiên liệu cháy trong xylanh sinh ra. Vì vậy có thể xác định 
Qd như sau: 
 Qd = (0,015 ÷ 0,020) Qt. kcal/h 
 Nhiệt do nhiên liệu cháy sinh ra trong một giờ xác định theo phương trình sau: 
 Qt =632 Ne/ηe. kcal/h 
 Trong đó : ηe - Hiệu suất có ích của động cơ đốt trong: ηe = 0,25 ÷ 0,35; 
 Do đó: 
 (0.015 ÷ 0.02)
 Q = 632.N (9-9) 
 d (0.25 ÷ 0.35) e
 Trong những động cơ dùng dầu nhờn để phun lên làm mát đỉnh pittông, có thể 
chọn Qd= (100 ÷ 110) Ne. 
 Từ đó có thể tính lưu lượng cần thiết của dầu bôi trơn cung cấp cho các mặt ma 
sát: 
 Q d
 Vd = ; (l/h) (9-10) 
 ρ∆ctd
 Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng , Bộ môn Máy Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông 
Tính toán Động cơ đốt trong - Chương 9 * Tính toán hệ thống bôi trơn 9-7
 Trong đó : 
 ρ- Khối lượng riêng dầu nhờn; ρ ≈ 0,85kg/l. 
 Cd- Tỷ nhiệt của dầu nhờn. 
 0
 Cd = 0,5 kcal/kg C 
 ∆t = 10 ÷ 15 0C; 
 Thay (9-9) vào (9-10) ta có : 
 Vd = (7 ÷ 10)Ne, l/h (9-11) 
 Nếu làm mát đỉnh : 
 Vd = (20 ÷ 15 ) Ne, l/h (9-12) 
 Muốn đủ lượng dầu nói trên, bơm dầu thường phải tăng lưu lượng lớn gấp vài 
lần. Do đó lưu lượng V’b của bơm dầu có thể xác định theo (9-13). 
 V’b = (2 ÷ 3,5) Vd; l/h (9-13) 
 Đối với động cơ xăng: 
 V’b= (14÷20) Ne ; l/h (9-14) 
 Đối với động cơ diêden : 
 V’b= (20 ÷ 40)Ne; l/h (9-15) 
 Trong hệ thống cácte khô, lưu lượng của các bơm hút Vhu thường chọn lớn hơn 
lưu lượng của các bơm đẩy Vbđ: 
 Vhu = (2÷2,5)Vbđ (9-16) 
 Nếu xét đến hiệu suất của bơm, lưu lượng lý thuyết của bơm dầu xác định theo 
công thức sau đây: 
 /
 Vb
 Vb = (9-17) 
 ηb
 Trong đó: 
 ηb - Hiệu suất cung cấp của bơm dầu: 
 Bơm bánh răng ηb = 0,7 ÷ 0,8 
 Bơm phiến trượt ηb = 0,8 ÷ 0,9 
 Căn cứ vào các thông số kích thước của bánh răng bơm dầu, có thể xác định Vb 
theo công thức sau đây: 
 -6
 Vb = π d0 h b nb60.10 ; l/h (9-18) 
 Trong đó : 
 d0 - Đường kính vòng chia bánh răng bơm dầu (mm); 
 h - Chiều cao của răng (mm); 
 nb - Số vòng quay của bơm dầu (vg/ph); 
 Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng , Bộ môn Máy Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông 
Tính toán Động cơ đốt trong - Chương 9 * Tính toán hệ thống bôi trơn 9-8
 Đối với bơm phiến trượt : 
 -6
 Vb= 0,12 F b nb.10 ; l/h (9-19) 
 Trong đó : F - Diện tích chứa dầu của bơm (mm2); 
 b - Chiều dài của phiến trượt (mm); 
 nb - Số vòng quay của bơm phiến trượt (vg/ph). 
 Hình 9.7. Quan hệ của hiệu suất bơm η với các thông số sử dụng của bơm bánh răng. 
 Khi thiết kế bơm dầu cần lựa chọn kích thước và tỷ số truyền sao cho kích 
thước bơm nhỏ gọn nhất mà vẫn đảm bảo lưu lượng cần thiết và tốc độ vòng của bánh 
răng không vượt quá giới hạn quy định (thường khoảng 6 ÷ 8 m/s). 
 Lưu lượng của bơm phụ thuộc nhiều vào hiệu suất của bơm. Nhưng hiệu suất 
bơm ηb lại thay đổi theo các thông số khe hở hướng kính sdk khe hở cạnh sc, áp suất 
bơm ra pbn, nhiệt độ của dầu vào tv, áp suất hút vào ph và vào số vòng quay của bơm 
nh. Các quan hệ biến thiên của ηb với các thông số kể trên giới thiệu trên hình (9-7). 
 Từ hình 9.7 ta thấy khi tăng khe hở hướng kính và khe hở cạnh do hiện tượng 
lọt dầu từ khoang dầu cao áp về khoang dầu áp suất thấp khá trầm trọng nên hiệu suất 
bơm dầu giảm sút rất nhanh hình 9.7 a,b khi bơm làm việc ở các tốc độ khác nhau, nếu 
 Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng , Bộ môn Máy Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông 
Tính toán Động cơ đốt trong - Chương 9 * Tính toán hệ thống bôi trơn 9-9
áp suất của đường dầu chính càng lớn hiệu suất bơm càng giảm. Đó là do hậu quả của 
hiện tượng lọt dầu hình 9.7c. Nhiệt độ của dầu vào ảnh hưởng tới đến hiệu suất bơm 
như hình d. khi dầu nhờn có nhiệt độ vào khoảng 600C tốc độ cao (2000vg/ph) hiệu 
suất bơm đạt trị số cao nhất, nhưng sau đó lại giảm. Đó là do khi nhiệt độ của dầu 
nhờn còn thấp hơn 600C, độ nhớt của dầu lớn nên khó điền đầy khe hở giữa các răng 
của bánh răng bơm dầu. Trong phạm vi từ 20 ÷ 600C, độ nhớt giảm, dầu dễ điền đầy 
khoang bơm nên hiệu suất tăng dần. Sau 600C, độ nhớt của dầu giảm nhiều nên dầu dễ 
lọt về khoang áp suất thấp, vì vậy hiệu suất bơm bị giảm. 
 Ở tốc độ thấp 1200vg/ph do ảnh hưởng lọt dầu là chính nên hiệu suất bơm giảm 
dần khi nhiệt độ tăng lên. 
 Công suất dẫn động bơm dầu nhờn có thể tính theo công thức sau: 
 11
 Nb = Vpbdrdv()− p ; (mã lực) (9-20) 
 ηm 27000
 Trong đó : 
 ηm - Hiệu suất cơ giới của bơm dầu nhờn. Khi xét đến tổn thất ma sát và 
tổn thất thuỷ động: ηm = 0,85 ÷ 0,9. 
 Vb - Lưu lượng lý thuyết của bơm dầu, l/h; 
 2
 Pdr và Pdv - Áp suất dầu ra và áp suất dầu vào bơm (kG/cm ). 
 9.3. Tính toán bầu lọc thấm. 
 9.3.1. Bầu lọc thấm dùng lõi lọc kim loại: 
 Tính toán khả năng lọc của loại bầu lọc dùng lõi lọc kim loại chủ yếu là xác 
định khả năng thông qua của bầu lọc bằng hệ số tiết diện thông qua ktq. 
 δ ⎛⎞ϕ
 ktq =−⎜⎟1 ; (9-21) 
 δ + s ⎝⎠360
 Trong đó; 
 δ - Khe hở lọc (mm); 
 s - Chiều dày của phiến lọc (mm); 
 ϕ - Góc chiếm chỗ phiến gạt (độ). 
 Hệ số tiết diện thông qua của các 
loại lọc thấm thường vào khoảng 0,28 ÷ 
0,32. 
 Tiết diện thông qua Ftq của lõi lọc 
xác định theo công thức sau: 
 Vb 2 2
 Ftq = .10 ; cm 
 6v d
 Hình 9.8. Lõi lọc kim loại 
 (9-22) 
 Trong đó : 
 Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng , Bộ môn Máy Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông 
Tính toán Động cơ đốt trong - Chương 9 * Tính toán hệ thống bôi trơn 9-10
 Vb - lưu lượng của bơm dầu (l/ph). 
 vd - tốc độ trung bình của dầu nhờn qua lọc ( cm/s). có thể chọn Vd theo bảng 
(9.2). 
 Bảng 9.2: Tốc độ trung bình của dầu nhờn qua lọc 
 Kiểu lọc thấm Vd, (cm/s) 
 Lọc lưới 2,0 ÷ 2,5 
 Lọc tấm, phiến 6 ÷ 12 
 Lọc dải định hình 9 ÷ 18 
 Diện tích lọc F của lõi lọc xác định theo công thức sau : 
 2
 F = Ftq/ Ktq; cm 
 Chiều cao của lõi lọc: 
 F
 h = ; cm; 
 π d
 Trong đó : d là đường kính trung bình của lõi lọc 
 d +d
 d= 1 2 ; cm. 
 2
 9.3.2. Bầu lọc thấm dùng lõi lọc bằng dạ, bằng giấy 
 Tính toán loại bầu lọc này rất khó vì thường không xác định được tiết diện được 
thông qua một cách chính xác. Khi thiết kế nên tham khảo kích thước của những loại 
lọc tinh của động cơ có công suất tương đương. Có thể căn cứ vào tổng dung tích công 
tác của động cơ để lựa chọn sơ bộ kích thước lõi lọc theo số liệu thống kê trong bảng 
9.3. 
 Bảng 9.3: Kích thước lõi lọc 
 Dung tích công tác (l) Đường kính lõi lọc (mm) Chiều cao lõi lọc 
 4 trở lên 116 204 
 1,5 ÷ 4 116 126 
 dưới 1,5 88 135 
 Tính kiểm nghiệm khả năng lọc của bầu lọc thấm theo công thức sau đây: 
 ∆ p
 V1= C F ; l/ph; (9-23) 
 η
 Trong đó : 
 V1- Lưu lượng dầu qua lọc (l/ph); 
 F - Diện tích thông qua lý thuyết tính theo công thức sau : F = π d h; 
 ∆p- Độ chênh áp của dầu bầu lọc (của áp suất dầu vào và ra ); 
 Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng , Bộ môn Máy Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông 
Tính toán Động cơ đốt trong - Chương 9 * Tính toán hệ thống bôi trơn 9-11
 2 2
 ∆p = Pdv - Pdr, kG/cm ; thường có thể chọn ∆p= 1÷ 1,5 kG/cm , 
 C - Hệ số lưu thông, lấy theo số liệu thực nghiệm: 
 - Lõi lọc bằng hàng sợi bông, lụa v.v.... C= 0,006; 
 - Lõi lọc bằng len, dạ, giấy thấm C = 0,015; 
 η - Độ nhớt của dầu nhờn tính theo poa (p) 
 9.4. Tính toán bầu lọc ly tâm: 
 9.4.1. Xác định số vòng quay của rôto. 
 Căn cứ vào định lý xung lượng, phản lực trên đường tâm lỗ phun khiến rôto 
quay, xác định theo công thức sau: 
 m ρVl ⎛ Vl πnR ⎞
 F = ()v d −v r = ⎜ − ⎟ ; N (9-24) 
 2 2 ⎝ 2εf 30 ⎠
 Trong đó: 
 m - Khối lượng dầu nhờn phun qua một lỗ phun trong một giây (kg/s) : 
 vd - Tốc độ của tia dầu phun ra khỏi lỗ phun; (m/s) 
 vr - Tốc độ vòng của tâm lỗ phun; (m/s) 
 3
 Vl = V/2 - Lưu lượng của dầu qua một lỗ phun trong một giây; (m /s) 
 V - Lưu lượng dầu qua hai lỗ phun thường bằng 20 % Vd lưu lượng dầu trong 
hệ thống. 
 ε - Hệ số co dòng của dầu nhờn chảy qua tiết diện lỗ phun ε phụ thuộc vào hình 
dạng của lỗ phun. 
 Hình 9.9. Các dạng vòi phun thường dùng trong bầu lọc ly tâm 
 Bảng (9.4) giới thiệu hệ số co dòng ε và hệ số lưu lượng µ1 của dòng dầu qua 
vòi phun của bốn loại lỗ phun (Hình 9.9). 
 Bảng 9.4: Hệ số ε và µ1 của các loại vòi phun 
 Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng , Bộ môn Máy Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông 
Tính toán Động cơ đốt trong - Chương 9 * Tính toán hệ thống bôi trơn 9-12
 loại vòi phun ε µ1 
 1 0,9 0,80 
 2 1,0 0,83 
 3 1,0 0,78 
 4 1,0 0,86 
 Dạng 1 là loại được dùng phổ biến nhất vì rất dễ gia công. 
 f- Diện tích tiết diện lỗ phun: (m2) 
 n- Số vòng quay của rôto trong một phút: (v/ph) 
 R- Khoảng cách từ tâm vòi phun đến tâm trục rôto; (m) 
 ρ- Khối lượng riêng của dầu thường lấy bằng 850 kg/m3. 
 Mômen dẫn động rôto Mp do hai tia phun sinh ra bằng: 
 Mp = 2FR (N.m); (9-24) 
 Trong trạng thái làm việc ổn định, momen quay rôto Mq được cân bằng bởi 
momen cản của rôto Mc. 
 Mômen cản Mc có thể xác định theo công thức gần đúng sau : 
 Mc = a + bn; (N.m) (9-25) 
 Trong đó : a,b là hệ số thực nghiệm. 
 Các bầu lọc ly tâm hiện đại, nếu độ nhớt của dầu nhờn nằm trong phạm vi 15 ÷ 
100cP (xăng ti poa) thì có thể xác định hệ số a và b theo các biểu thức sau: 
 a = 6.10-4 Ω µ; hoặc gần đúng a=(5÷20)10-4 N.m 
 b = (0,03 +0,002µ).10-3Ω hoặc gần đúng b = (0.03÷0.1)10-4 (N.m/vg/ph) 
 Trong đó : 
 Ω- Dung tích của rôto (cm3); 
 µ - Độ nhớt động lực học của dầu nhờn (cP). 
 Từ phương trình (9-24) và (9-25) ta rút ra : 
 ρV 2 R
 l − a
 2ε f
 n = ; (v/ph) (9-26) 
 πρV R 2
 b + l
 30
 Từ công thức trên cho thấy rằng tăng số vòi phun lên, số vòng quay của rôto 
không tăng mà lại giảm. Do đó có thể đảm bảo tính cân bằng của rôto, thường người ta 
chỉ dùng 2 vòi phun. 
 Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng , Bộ môn Máy Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông 
Tính toán Động cơ đốt trong - Chương 9 * Tính toán hệ thống bôi trơn 9-13
 9.4.2. Xác định áp suất dầu trước khi vào lọc: 
 Bỏ qua lượng dầu rò rỉ qua khe hở lắp ghép giữa rôto và trục rôto (theo số liệu 
thực nghiệm, lượng dầu này chỉ chiếm khoảng 2% lượng dầu phun qua lỗ phun). 
 Lưu lượng dầu nhờn phun ra khỏi hai lỗ phun có thể xác định bằng phương 
trình sau đây: 
 2p
 Vf= 2µ ; (m3/s) (9-27) 
 1 ρ
 Trong đó : 
 µ1 - Hệ số lưu lượng của dòng dầu qua lỗ phun = 0,78 - 0,86 
 ρ - Khối lượng riêng của dầu ; (kg/m3) 
 p - Áp suất của dầu trước lỗ phun (kG/cm2). 
 2
 ρ ⎛ πn ⎞ 2 2 2
 p = p1(1 - ψ) + ⎜ ⎟ (R − ro ) ; N/m (9-28) 
 2 ⎝ 30 ⎠
 Trong đó : 
 2
 p1 - Áp suất của dầu trước khi vào lọc (kG/cm ) 
 r0 - Bán kính trục rôto (m) 
 ψ - Hệ số tổn thất lưu động của dầu từ khi dầu vào rôto đến khi tới miệng lỗ 
phun. 
 Đối với bầu lọc ly tâm không toàn phần ψ = 0,1 ÷ 0,3. Đối với bầu lọc ly tâm 
toàn phần ψ = 0,2 ÷ 0,5. 
 Từ các phương trình trên ta rút ra áp suất cần thiết của dầu vào bầu lọc ly tâm: 
 2
 ⎡ ⎛ πn ⎞ ⎤
 ⎢V 2 − 4⎜ ⎟ (R 2 − r 2 )µ 2 f 2 ⎥ρ
 30 o 1
 ⎣⎢ ⎝ ⎠ ⎦⎥ 2
 p =
 1 2 2 (kg/cm ) (9-29) 
 8µ1 f (1− ψ)
 Để xác định trị số tối ưu của bán kính rôto R, đạo hàm phương trình (9-26) theo 
R và cho đạo hàm dn/dR = 0 ta rút ra: 
 2
 2aεf ⎛ 2aεf ⎞ 30b
 R= + ⎜ ⎟ + ; (m) (9-30) 
 tư 2 ⎜ 2 ⎟
 ρVl ⎝ ρVl ⎠ πρVl
 Từ phương trình trên ta thấy trị số tốt nhất của R sẽ giảm khi tăng lưu lượng 
dầu V và khi giảm mômen cản Mc (a và b giảm) khiến cho kết cấu của bầu lọc ly tâm 
 3
gọn nhẹ. (V - Lưu lượng dầu phun qua lỗ phun; m /s). 
 9.5. Tính toán két làm mát dầu. 
 Xác định thông số cơ bản như sau: 
 Nhiệt lượng của động cơ truyền cho dầu nhờn: 
 Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng , Bộ môn Máy Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông 
Tính toán Động cơ đốt trong - Chương 9 * Tính toán hệ thống bôi trơn 9-14
 Qd = cd p va (tdr - ttv), kcal/h. 
 Nhiệt lượng này cân bằng với nhiệt lượng do két làm mát dầu tản ra ngoài nên: 
 Qd = cd ρ Vk ( tdvk - tdrk); kcal/h; 
 Trong đó : 
 Vd, Vk - Lưu lượng dầu nhờn tuần hoàn trong động cơ và lưu lượng dầu chảy 
qua két làm mát; 
 0
 tdv,t dr - Nhiệt độ đầu vào và ra khỏi động cơ ( C); 
 0
 tdvk, tdrk - Nhiệt độ vào và ra khỏi két làm mát dầu ( C); 
 0
 cd - Tỷ nhiệt của dầu nhờn (kcal/kg C); 
 ρ - Mật độ của dầu nhờn (kg/l). 
 Trong hệ thống bôi trơn cácte khô dầu nhờn được làm mát liên tục như trên sơ 
đồ hình 12 - 3 thì Vd = Vk. 
 Diện tích tản nhiệt cần thiết của két làm mát dầu xác định theo công thức sau: 
 Q d 2
 Fk = ; m (9-29) 
 Ktdd()− t k
 Trong đó: 
 Kd - Hệ số truyền nhiệt tổng quát giữa dầu nhờn và môi chất làm mát 
(kcal/m2h0C); 
 0
 td, tk - Nhiệt độ trung bình của dầu nhờn trong két và môi chất làm mát ( C): 
 ttdvk+ drk ttkr− kv
 td = ; tk = 
 2 2
 Chênh lệch nhiệt độ của dầu trong két làm mát thường chọn bằng chênh lệch 
nhiệt độ của dầu khi vào và khi ra khỏi động cơ, 
 Do đó: (td - tk) = (tdr - tdv). 
 0
 Đối với động cơ xăng thường chọn : ∆td = tdr - tdv = 10 ÷ 20 C. 
 0
 Đối với động cơ điêden thường chọn : ∆td = 20 ÷ 40 C. 
 Nhiệt độ trung bình của dầu nhờn trong két thường vào khoảng 75 ÷ 85 0C. 
Nhiệt độ trung bình của không khí quét qua két làm mát dầu trong điều kiện làm việc 
nặng có thể chọn bằng 450C. 
 Hệ số truyền nhiệt Kd phụ thuộc khá nhiều nhân tố truyền nhiệt. 
 Đối với loại két làm mát dầu dùng kiểu ống thẳng và nhẵn : 
 2 0
 Kd ≈ 100 ÷ 300; kcal/m h C 
 Đối với loại dùng ống tạo dầu chảy xoáy: 
 2 0
 Kd ≈ 700 ÷ 1000; kcal/m h C 
 Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng , Bộ môn Máy Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông 
Tính toán Động cơ đốt trong - Chương 9 * Tính toán hệ thống bôi trơn 9-15
 9.6. Lượng dầu chứa trong cácte. 
 Lượng dầu nhờn cần chứa trong cácte Vct có thể xác định theo công thức kinh 
nghiệm sau: 
 Đối với động cơ xăng : Vct = ( 0,06 ÷ 0,12 ) Ne, (l); 
 Đối với động cơ Diesel ô tô: Vct = (0,1 ÷ 0,15) Ne, (l); 
 Đối với động cơ Diesel máy kéo: Vct = (0,2 ÷ 0,45) Ne, (l); 
 Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng , Bộ môn Máy Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông