Đồ án Khai thác động cơ 7M-GTE trên xe Toyota Supra

CHƯƠNG III CÁC HỆ THỐNG CHÍNH CỦA ĐỘNG CƠ 3.1 Hệ thống làm mát 3.1.1 Nhiệm vụ hệ thống làm mát: Khi động cơ làm việc, các chi tiết của động cơ nhất là các chi tiết trong buồng cháy tiếp xúc với khí cháy nên có nhiệt độ rất cao. Nhiệt độ đỉnh pít tông có thể đến 6000C còn nhiệt độ xu páp thải có thể lên đến 9000C. Nhiệt độ các chi tiết cao có thể dẫn đến các tác hại đối với các động cơ như: Giảm sức bền, độ cứng vững và tuổi thọ các chi tiết Bó kẹt giữa các cặp chi tiết chuyển động như pít tông– xy lanh, trục khuỷu- bạc lót… Giảm hệ số nạp nên giảm công suất động cơ Kích nổ trong động cơ Hệ thống làm mát có tác dụng tản nhiệt khỏi các chi tiết, giữ cho nhiệt độ của các chi tiết không vượt quá giới hạn cho phép và do đó bảo đảm điều kiện làm việc của động cơ. Tuy nhiên nếu cường độ làm mát lớn quá, nhiệt độ các chi tiết thấp dẫn đến hiện tượng hơi nhiên liệu ngưng tụ và đọng bám trên bề mặt các chi tiết, rửa trôi dầu bôi trơn nên các chi tiết bị mài mòn dữ dội. Đồng thời độ nhớt của dầu bôi trơn thấp nên ma sát giữa các chi tiết chuyển động tăng. 3.1.2 Các chi tiết chính: Trên động cơ Toyota 7M- GTE sử dụng hệ thống làm mát bằng nước lưu thông tuần hoàn cưỡng bức nhờ bơm nước có các chi tiết chính trên hình 3.1 Trong hệ thống này tốc độ lưu động của nước chủ yếu do bơm quyết định. Sơ đồ nguyên lý hệ thống làm mát bằng nước của động cơ Toyota 7M-GE được giới thiệu trên hình 3.1
Hình 3.1: Hệ thống làm mát cưỡng bức tuần hoàn kín một vòng 1.Thân máy; 2.Nắp xy lanh; 3. Đường nước ra khỏi động cơ; 4. Ống dẫn bọt nước; 5.Van hằng nhiệt; 6.Nắp rót nước; 7.Két làm mát; 8.Quạt gió; 9.puly; 10. Ống nước nối tắt về bơm; 11. Đường nước vào động cơ; 12.Bơm nước; 13.Két làm mát dầu; 14. Ống phân phối nước. a. Bơm nước và quạt gió : Bơm nước trên hệ thống làm mát của động cơ là bơm ly tâm có nhiệm vụ cung cấp nước tuần hoàn cưỡng bức trong hệ thống làm mát của động cơ. Được dẫn động bằng đai từ trục khuỷu động cơ. Quạt gió có nhiệm vụ tạo ra dòng khí hút đi qua két nước để tăng hiệu quả làm nguội nước nóng sau khi đã làm mát cho động cơ. Quạt gió được lắp trên đầu phía trước của trục bơm nước. Các cánh quạt được chế tạo bằng thép lá. Để nâng cao năng suất và tạo hướng cho dòng khí vành quạt gió có hom khí. b. Két nước làm mát : Két nước là thiết bị trao đổi nhiệt dùng để truyền nhiệt từ nước làm mát cho dòng không khí chuyển động qua. Két làm măt nước của động cơ Toyota 7M- GTE được giới thiệu trên hình 3.2
Hình 3.2: Két nước làm mát 1. Nắp két nước ; 2. Ống nước hồi ; 3. Ống nước đi. Két nước làm mát bao gồm các ống dẫn bằng đồng đỏ. Các ống này được hàn với các cánh tản nhiệt hình gợn sóng nhằm tăng tiết diện tiếp xúc với không khí để tăng khả năng toả nhiệt của két làm mát. Ngăn trên có miệng đổ nước và được đậy bằng nắp.. Nắp két nước có 2 van: van xả (1) có tác dụng giảm áp khi áp suất trong hệ thống cao (khoảng 1,15
1.25 kG/cm2) do bọt hơi sinh ra trong hệ thống, nhất là khi động cơ quá nóng. Còn van hút (2) sẽ mở để bổ sung không khí khi áp suất chân không trong hệ thống lớn hơn giá trị cho phép (khoảng 0,05
0,1 kG/cm2). Nắp két nước của động cơ Toyota 7M- GTE được giới thiệu trên hình 3.3
Hình 3.3: Nắp két nước 1.Van xả; 2.Van hút. c. Van hằng nhiệt : Van hằng nhiệt có nhiệm vụ rút ngắn thời gian sấy nóng khi động cơ bắt đầu khởi động và tự động duy trì chế độ nhiệt của động cơ trong giới hạn cho phép. Van hằng nhiệt của động cơ Toyota 7M- GTE được giới thiệu trên hình 3.4
Hình 3.4: Sơ đồ van hằng nhiệt 1.Hộp xếp; 2. Đường về bơm; 3.Van về bơm; 4.Van ra két, 5.Đường ra két; 6. Đường nước nóng đến từ động cơ; 7.Thân van. Trên hệ thống làm mát của động cơ sử dụng van hằng nhiệt với chất giãn nở là hỗn hợp gồm 30% rượu Etylic và 70% nước cất. Khi nhiệt độ nước làm mát thấp hơn 750C, hỗn hợp chất lỏng trong hộp (1) chưa bị giãn nở, van đóng (4) và nước sẽ đi qua đường dẫn (2) trở về bơm mà không qua két làm mát. Khi nhiệt độ nước tăng cao hơn 750C, hỗn hợp chất lỏng trong hộp giãn nở, áp suất tăng nên đẩy cán lên làm mở van (4) và nước theo đường ống đến két làm mát. Khi nhiệt độ nước băng 900c thì van được mở hoàn toàn. 3.2 Hệ thống bôi trơn 3.2.1 Nhiệm vụ hệ thống bôi trơn : Hệ thống bôi trơn có nhiệm vụ đưa dầu bôi trơn đến các bề mặt làm việc của các chi tiết để đảm bảo điều kiện làm việc bình thường của động cơ cũng như tăng tuổi thọ của các chi tiết. Dầu bôi trơn có nhiều công dụng trong đó một số công dụng quan trọng nhất của dầu bôi trơn là: - Bôi trơn các bề mặt có chuyển động trượt giữa các chi tiết nhằm giảm ma sát do đó giảm mài mòn tăng tuổi thọ các chi tiết. - Rửa sạch bề mặt ma sát của các chi tiết. Trên bề mặt ma sát trong quá trình làm việc thường có các vẩy rắn tróc ra khỏi bề mặt. Dầu bôi trơn sẽ cuốn trôi các vảy tróc, sau đó được giữ lại trong các phần tử lọc của hệ thống bôi trơn, tránh cho bề mặt ma sát bị cào xước. - Làm mát một số chi tiết. - Bao kín khe hở giữa các chi tiết như cặp pít tông – xy lanh – xéc măng để giảm lọt khí. Động cơ Toyota 7M- GTE sử dụng phương pháp bôi trơn cưỡng bức. Dầu trong hệ thống bôi trơn được bơm đẩy đến các bề mặt ma sát với áp suất nhất định, do đó hoàn toàn có thể đủ lưu lượng để bảo đảm bôi trơn làm mát và tẩy rửa các bề mặt ma sát. Sơ dồ cấu tạo HT bôi trơn của động cơ Toyota 7M- GTE được giới thiệu trên hình 3.5.
Hình 3.5: Sơ đồ cấu tạo hệ thống bôi trơn 1.Cốc lọc; 2.Két làm mát dầu ; 3.Bơm dầu ; 4. Lưới lọc 3.2.2 Nguyên lý làm việc: Dầu trong các te dầu được hút vào bơm qua phao hút dầu. Phao hút dầu có lưới chắn để lọc sơ bộ những tạp chất có kích thước lớn. Dầu được bơm đẩy qua két làm mát dầu (2), tại đây dầu được làm mát rồi tiếp tục đến đường dầu chính, rồi đến cốc lọc, dầu theo các nhánh đi bôi trơn trục khuỷu sau đó lên bôi trơn đầu to thanh truyền, chốt pít tông, và đi bôi trơn trục cam. 3.2.3 các chi tiết chính : a. Bơm dầu : Bơm dầu có nhiệm vụ cung cấp dầu dưới áp suất cao vào đường dầu chính của động cơ và đến két làm mát. Hệ thống bôi trơn của động cơ Toyota 7M- GTE sử dụng cặp bơm bánh răng ăn khớp ngoài được bố trí bên trong vỏ bơm. Bơm dầu của động cơ Toyota 7M- GTE được giới thiệu trên hình 3.6.
Hình 3.6: Bơm bánh răng ăn khớp ngoài b. Bầu lọc dầu: Bầu lọc dầu có nhiệm vụ lọc sạch các tạp chất cơ học do sự mài mòn cơ học các chi tiết của động cơ, các loại bụi từ không khí lẫn vào các sản vật cháy có chứa trong dầu. Hệ thống bôi trơn của động cơ Toyota 7M- GTE sử dụng bầu lọc thô. Kiểu bầu lọc được dùng là kiểu bầu lọc cơ khí loại bầu lọc thấm dùng tấm kim loại. Cấu tạo bầu lọc dầu của động cơ toyota 7M- GTE được giới thiệu trên hình 3.7.
Hình 3.7: Bầu lọc dầu thấm dùng tấm kim loại 1.Nắp bầu lọc; 2. Đường dầu ra; 3.Thân bầu lọc; 4. Đường dầu vào; 5.Phiến lọc; 6.Phiến gạt; 7.Phiến cách; 8. Trục của lưới lọc. Bầu lọc có lõi lọc gồm các phiến kim loại dập (5) và (7) sắp xếp xen kẽ nhau tạo thành khe lọc có kích thước bằng chiều dày của phiến cách (7) (khoảng 0,07 ( 0,08mm). Các phiến gạt cặn (6) có cùng chiều dày với phiến cách (7) và được lắp với nhau trên một trục cố định trên nắp bầu lọc. Còn các tấm (5) và (7) được lắp trên trục (8) có tiết diện vuông và có tay vặn nên có thể xoay được. Dầu bẩn theo đường dầu (4) vào bầu lọc, đi qua các khe hở giữa các tấm (5) để lại các cặn bẩn có kích thước lớn hơn khe hở rồi theo đường dầu (2) ra đi bôi trơn.Khi xoay tay vặn của trục (8), lõi lọc quay theo nên các phiến gạt (6) sẽ gạt cặn bẩn bám bên ngoài lõi lọc tránh cho lõi lọc bị tắc. c. Két làm mát dầu: Ở chế độ nhiệt làm việc ổn định của động cơ, nhiệt độ của dầu bôi trơn cần nằm trong giới hạn 80 ( 900C. Nhưng trong sử dụng do nhiệt độ của môi trường tương đối cao, do động cơ thường phải làm việc ở những chế độ phụ tải cao trong thời gian dài , nhiệt độ của dầu bôi trơn sẽ vượt quá giới hạn cho phép và do đó cần được làm mát trong két làm mát dầu. Trên hệ thống bôi trơn của động cơ sử dụng két làm mát dầu kiểu ống được làm mát bằng không khí, bố trí trước két nước của động cơ. d. Đồng hồ đo áp suất dầu: Đồng hồ áp suất dầu nối với đường dầu chính để kiểm tra tình hình hoạt động của hệ thống. 3.3 Hệ thống đánh lửa 3.3.1 Nhiệm vụ hệ thống đánh lửa: Hệ thống đánh lửa có nhiệm vụ tạo tia lửa điện cao áp từ 12
14 kV để đốt cháy hoà khí trong động cơ vào cuối kỳ nén. Để giúp cho sự cháy đạt hiệu quả cao, hệ thống đánh lửa phải đốt cháy hỗn hợp không khí nhiên liệu ngay tức thì. Thời điểm đánh lửa chính xác được tạo ra vào đúng ngay thời điểm liên quan đến vị trí của pít tông. Bộ ECU động cơ nhận các tín hiệu từ các cảm biến liên quan và điều chỉnh thời điểm đánh lửa. 3.3.2 Các chi tiết chính: Sơ đồ hệ thống đánh lửa của động cơ Toyota 7M- GTE được thể hiện trên hình 3.8.
Hình 3.8: Sơ đồ hệ thống đánh lửa của động cơ Toyota 7M- GTE Khi động cơ nguội hoặc làm việc ở vùng cao thời điểm đánh lửa được điều khiển hơi sớm hơn để tối ưu hoá đặc tính của động cơ. 3.4 Hệ thống kiểm soát khí thải 3.4.1 Nhiệm vụ của hệ thống kiểm soát khí thải: Hệ thống kiểm soát khí thải của động cơ bao gồm hệ thống kiểm soát khí thoát ra từ các te, hệ thống điều khiển sự bốc hơi nhiên liệu , hệ thống hồi lưu khí xả và bộ xử lý khí thải. Nhiệm vụ chung của toàn bộ hệ thống là giảm đến mức tối đa lượng khí độc hại gây ô nhiễm môi trường như: oxit cacbon, Hidrocacbon, oxit nitơ , và các chất khí khác . 3.4.2 Các chi tiết chính: a. Hệ thống kiểm soát hơi khí thoát từ các te trục khuỷu: Là hệ thống có nhiệm vụ giảm tối đa lượng hỗn hợp khí từ các te động cơ thoát ra bầu khí quyển. Khi động cơ hoạt động , không khí sạch được đưa từ bộ lọc gió vào trong các te trục khuỷu qua ống thông hơi để được hoà trộn với các khí lọt ở bên trong các te trục khuỷu. Các khí lọt xuống ở bên trong các te trục khuỷu được rút vào của họng nạp qua van thông hơi PCV (Positive crankcase ventilation). Van PCV được thiết kế để điều hòa lượng khí thông hơi thích hợp , piston của van PCV có thể dịch chuyển tương ứng với độ chân không của họng nạp. Khi động cơ hoạt động ở chế độ tải thấp hay hoạt động ở chế độ cầm chừng, lượng khí đi qua van PCV được hạn chế để duy trì sự hoạt động ổn định của động cơ. Khi động cơ hoạt động ở tải lớn hay toàn tải, lượng không khí đi qua van PVC tăng lên đảm bảo cho quá trình thông hơi trong các te động cơ. Sơ đồ hệ thống kiểm soát khí thoát từ các te trục khuỷu của động cơ Toyota 7M- GTE được giới thiệu trên hình 3.9.
Hình 3.9: sơ đồ hệ thống kiểm soát khí thoát từ các te trục khuỷu b. Hệ thống hồi lưu khí xả EGR (Exhaust gas recirculation valve ): Hệ thống hồi lưu khí xả có nhiệm vụ giảm lượng ôxit nitơ (NOx) sinh ra trong quá trình cháy thoát ra ngoài môi trường. Khi nhiệt độ cháy của hỗn hợp cháy cao, một lượng lớn khí oxit nitơ sẽ được tạo ra ở trong buồng cháy. Vì vậy hệ thống ERG hồi lại một phần khí xả từ đường ống xả đoạn lắp trên nắp máy vào trong buồng đốt thông qua họng nạp. Khi khí xả được trộn lẫn với hỗn hợp cháy thì sự lan truyền ngọn lửa trong buồng đốt bị chậm lại, bởi vì phần lớn khí xả là trơ không cháy được. Nhiệt độ cháy do đó giảm xuống và làm giảm lượng NOx sinh ra vì khí trơ hấp thụ nhiệt toả ra. Hệ thống hồi lưu khí xả của động cơ toyota 7M- GTE được giới thiệu trên hình 3.10. Hình 3.10: Sơ đồ hệ thống hồi lưu khí xả c. Hệ thống kiểm soát hơi nhiên liệu: Hệ thống kiểm soát hơi nhiên liệu EVAP (Evaporative emission system) tạm thời hấp thụ hơi nhiên liệu vào bộ lọc than hoạt tính và dẫn nó vào động cơ để đốt cháy, nhờ thế mà ngăn không cho nhiên liệu bay hơi từ thùng nhiên liệu lọt ra ngoài khí quyển. Hoạt động theo nguyên lý: hơi nhiên liệu bốc lên từ bình nhiên liệu (4), đi qua van một chiều (1) và đi vào bộ lọc than hoạt tính, than sẽ hấp thụ hơi nhiên liệu lượng hơi được hấp thụ này sẽ được hút vào cửa lọc của họng gió vào xylanh để đốt cháy khi động cơ đang chạy. Van một chiều (2) và van chân không (3) của nắp bình nhiên liệu được mở ra để hút không khí từ bên ngoài vào bình nhiên liệu khi trong thùng có áp suất chân không (do nhiệt độ bên ngoài thấp). Trên động cơ Toyota 7M- GTE ECU điều khiển dòng khí bằng cách điều chỉnh độ mở của van VSV. Hệ thống kiểm soát hơi nhiên liệu trên động cơ toyota 7M- GTE được giới thiệu trên hình 3.11
Hình 3.11: Hệ thống kiểm soát hơi nhiên liệu trên động cơ Toyota 7M- GTE 1,5. van một chiều; 2. thùng chứa than hoạt tính; 3.van chân không của thùng nhiên liệu; 4.Thùng nhiên liệu. 3.5 Hệ thống tăng áp 3.5.1 Sự cần thiết phải có tua bin tăng áp: Công suất động cơ được xác định bởi lượng hỗn hợp không khí- nhiên liệu đốt cháy trong quãng thời gian nhất định. Tức là lượng hỗn hợp không khí- nhiên liệu càng tăng thì công suất động cơ càng tăng. Điều đó có nghĩa là để tăng công suất động cơ thì phải tăng dung tích động cơ hoặc tăng tốc độ của động cơ. Tuy nhiên khi tăng dung tích động cơ thì trọng lượng cũng tăng lên và các yếu tố như tổn thất do ma sát, rung động, tiếng ồn lại hạn chế khả năng tăng tốc độ động cơ. Với tua bin tăng áp đã đáp ứng được cả 2 yêu cầu mâu thuẫn nhau này: tăng công suất động cơ mà vẫn giữ cho động cơ gọn nhẹ, bằng cách cung cấp khối lượng hỗn hợp không khí- nhiên liệu lớn hơn mà không thay đổi kích thước động cơ. 3.5.2 Nhiệm vụ của tua bin tăng áp: Tua bin tăng áp có nhiệm vụ nén không khí vào xi lanh, với áp suất cao hơn áp suất khí quyển để tăng công suất động cơ.
Hình 3.12: Tua bin tăng áp 3.5.3 Nguyên lý làm việc của tua bin tăng áp: Khi động cơ làm việc, tận dụng năng lượng của dòng khí xả để làm quay bánh tua bin với tốc độ cao. Bánh nén khí được lắp trên cùng 1 trục với bánh tua bin, nó có tác dụng nén không khí vào xi lanh. vì thế, công suất động cơ được tăng lên. Van cửa xả và bộ điều khiển có tác dụng ngăn ngừa áp suất nạp tăng lên quá cao. Bộ làm mất trung gian để làm giảm nhiệt độ của không khí nạp và tăng hiệu quả nạp.
Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý làm việc của tua bin tăng áp trên động cơ Toyota 7M- GTE 3.5.4 Các chi tiết chính: Các chi tiết chính của tua bin tăng áp trên động cơ Toyota 7M- GTE (hình 3.14) bao gồm: khoang tua bin, khoang nén khí, khoang trung tâm, bánh tua bin, bánh nén khí, các ổ trục tự lựa hoàn toàn, van cửa xả, bộ chấp hành.
Hình 3.14: Các chi tiết chính của tua bin tăng áp trên động cơ Toyota 7M- GTE a. Bánh tua bin và bánh nén khí (hình 3.15): Bánh tua bin và bánh nén khí được lắp trên cùng 1 trục. Khi bánh tua bin quay với tốc độ cao nhờ có áp suất cao của luồng khí xả thì bánh nén khí cũng quay theo và nén không khí vào xi lanh. Bánh tua bin phải chịu được nhiệt và có độ bền cao vì nó tiếp xúc trực tiếp với khí xả, quay với tốc độ cao và trở nên rất nóng. Vì vậy nó được làm bằng hợp kim siêu chịu nhiệt hoặc làm bằng gốm.
Hình 3.14: Bánh tua bin và bánh nén khí b. Khoang trung tâm ( hình 3.15): Khoang trung tâm đỡ bánh tua bin và bánh nén khí thông qua trục của chúng. Trong khoang trung tâm có đường dẫn dầu để bôi trơn, làm mát cho trục và các ổ trục. Nước làm mát động cơ cũng được tuần hoàn qua kênh làm mát trong khoang trung tâm để nhiệt độ dầu động cơ không bị tăng lên và tránh hủy hoại dầu.
Hình 3.15: Khoang trung tâm c. Các ổ trục tự lựa hoàn toàn (hình 3.16): Các bánh tua bin và nén khí chạy với tốc độ đến 100000 v/ph, nên phải sử dụng các ổ trục tự lựa hoàn toàn để đảm bảo hấp thụ các dung động của trục và bôi trơn trục. Những ổ trục này được bôi trơn bằng dầu động cơ, và quay tự do giữa trục và vỏ hộp, nhằm giảm ma sát, cho phép trục quay với tốc độ cao.
Hình 3.16: Các ổ trục tự lựa d. Van cửa xả và bộ chấp hành (hình 3.17): Van cửa xả được lắp trong khoang tua bin.Khi van này mở thì 1 phần khí xả sẽ đi qua ống xả, nhờ thế mà giữ ổn định cho áp suất nạp, khi áp suất nạp đạt đến trị số đã định (khoảng 0,7 kg/cm2). Việc đóng mở van được kiểm soát bởi bộ chấp hành.
Hình 3.17: Van cửa xả và bộ chấp hành