Cấu tạo của một động cơ xăng

Động cơ xăng bao gồm các bộ phận chính và các hệ thống phụ.

• Bộ phận chính bao gồm: Thân máy, nắp máy, piston, thanh truyền, trục khuỷu, bánh đà… và cơ cấu
  phân phối khí.
• Các hệ thống phụ gồm: Hệ thống làm trơn, hệ thống làm mát, hệ thống nạp và thải, hệ thống nhiên liệu và hệ thống điện động cơ.

Bộ phận chính có thể chia làm các bộ phận cố định, các bộ phận di động và cơ cấu phân phối khí.

1. Bộ phận chính
   • Thân máy và nắp máy.
   • Các piston và các thanh truyền.
   • Trục khuỷu và bánh đà.
   • Cơ cấu phân phối khí.
   • Các-te chứa nhớt.
2. Hệ thống phụ
   • Hệ thống làm trơn.
   • Hệ thống làm mát.
   • Hệ thống nạp và thải.
   • Hệ thống nhiên liệu.
   • Hệ thống điện động cơ.

1/ Các bộ phận cố định

Các bộ phận cố định bao gồm: Nắp máy, thân máy, các-te.

1.1/ Thân máy

Thân máy là thành phần chính của động cơ, nó được chế tạo bằng gang hoặc hợp kim nhôm.

Thân máy có chức năng như một cái khung, nó dùng để bố trí các chi tiết và để giải nhiệt. Thân máy chứa các xy lanh và piston chuyển động lên xuống trong xy lanh.

Thân máy được đậy kín bởi nắp máy, ở giữa chúng có một joint làm kín. Hộp trục khuỷu được bố trí bên dưới thân máy, nó chứa đựng trục khuỷu. Các-te chứa nhớt được kết nối ở bên dưới thân máy. Mạch dầu làm trơn được bố trí bên trong thân máy. Một số động cơ, thân máy còn chứa trục cam, trục cân bằng và một số chi tiết khác.

Thân máy có dạng thẳng hàng hoặc chữ V tuỳ theo cách bố trí xy lanh. Ở động cơ chữ V các xy lanh được bố trí theo hai nhánh hình V nhưng chúng chỉ có một trục khuỷu. Người ta chế tạo động cơ chữ V với mục đích rút ngắn chiều dài thân máy. Số xy lanh ở loại này có thể là 6 hoặc 8 đôi khi có tới 12…

1.1.1/ Ống lót xylanh

Động cơ xăng, xy lanh thường được chế tạo liền với thân máy. Ở động cơ Diesel thường dùng ống lót xy lanh.

Ống lót xy lanh được chế tạo bằng thép cứng và được ép vào thân máy. Có hai loại ống lót xy lanh, đó là ống lót ướt và ống lót khô.

Ống lót khô không trực tiếp tiếp xúc với nước làm mát. Nó được ép chặt vào xy lanh.

Ống lót ướt được lắp tiếp xúc với nước làm mát. Loại này phải làm kín tốt để ngăn ngừa nước làm mát rò rỉ xuống hộp trục khuỷu. Ống lót ướt rất dễ dàng sửa chữa thay thế.

1.1.2/ Hộp đỡ trục khuỷu

Hộp đỡ trục khuỷu dùng để gá lắp trục khuỷu. Số lượng các ổ trục chính để gá lắp trục khuỷu phụ thuộc vào chiều dài của trục khuỷu và sự bố trí xy lanh.

1.2/ Cacte

Các-te được kết nối bên dưới hộp trục khuỷu qua trung gian của một đệm làm kín. Nó dùng để chứa nhớt làm trơn và che kín các chi tiết bên trong hộp trục khuỷu.

Các-te được làm bằng tôn, bên dưới có bố trí nút x? nhớt, bên trong có bố trí một vách ngăn. Vách ngăn để làm giảm sự dao động của nhớt khi xe chuyển động, đồng thời bảo đảm được nhớt luôn ngập lưới lọc khi xe chuyển động ở mặt đường nghiêng.

1.3/ Joint nắp máy

Joint nắp máy được đặt giữa khối xy lanh và nắp máy. Nó dùng để làm kín buồng đốt, làm kín đường nước làm mát và dầu nhớt làm trơn.

Joint nắp máy chịu được nhiệt độ cao và áp suất lớn. Cấu trúc của nó gồm một lớp thép mỏng đặt ở giữa , hai bề mặt của tấm thép được phủ một lớp carbon và một lớp bột chì để ngăn cản được sự kết dính giữa joint với bề mặt khối xy lanh và thân máy. Nó cũng được chế tạo bằng thép, aminian bọc đồng hoặc nhôm…

1.4/ Nắp máy

Nắp máy được bố trí trên thân máy, phần lõm bên dưới nắp máy chính là các buồng đốt của động cơ. Nắp máy chịu áp lực và nhiệt độ cao trong suốt quá trình động cơ hoạt động.

Nó được chế tạo bằng hợp kim gang hoặc bằng hợp kim nhôm. Trong nắp máy có bố trí các dường nước làm mát. Các bu gi, xú pap, trục cam, đường ống nạp, đường ống thải… được bố trí và gá lắp trên nắp máy.

Tuỳ theo sự bố trí các xú pap và số lượng của chúng, buồng đốt trên nắp máy có các dạng cơ bản sau:

1.4.1/ Buồng đốt kiểu hình bán cầu

Loại này có đặc điểm là diện tích bề mặt buồng đốt nhỏ gọn. Trong buồng đốt bố trí một xú pap nạp và một xú pap thải. Hai xú pap này bố trí về hai phía khác nhau. Trục cam bố trí ở giữa nắp máy và dùng cò mổ để điều khiển sự đóng mở của xú pap. Sự bố trí này rất thuận lợi cho việc nạp hỗn hợp khí và thải khí cháy ra ngoài.

1.4.2/ Buồng đốt kiểu hình nêm

Loại này có đặc điểm diện tích bề mặt tiếp xúc nhiệt nhỏ. Buồng đốt  mỗi xy lanh được bố trí một xú pap thải và một xú pap nạp, đồng thời hai xú pap bố trí cùng một phía. Đối với loại này trục cam được bố trí ở thân máy hoặc bố trí trên nắp máy. Sự điều khiển sự đóng mở của các xú pap qua trung gian của cò mổ.

1.4.3/ Buồng đốt kiểu Bathtub

Kiểu này mỗi buồng đốt bố trí một xú pap thải và một xú pap nạp. Hai xú pap bố trí lệch cùng một phía và các xú pap đặt thẳng đứng. Kiểu này có khuyết điểm, đường kính đầu xú pap bị hạn chế nên việc nạp và thải kém.

1.4.4/ Buồng đốt kiểu Pentroor

Ngày nay, loại buồng đốt này được sử dụng khá phổ biến, mỗi xy lanh động cơ được bố trí hai xú pap nạp và hai xú pap thải. Bu gi được đặt thẳng đứng và ở giữa buồng đốt giúp cho quá trình cháy được xảy ra tốt hơn. Hai trục cam bố trí trên nắp máy, một trục điều khiển các xú pap nạp và trục cam còn lại điều khiển các xú pap thải.

2/ Các bộ phận di động

Các bộ phận di động bao gồm: Piston, xéc măng, trục piston, thanh truyền, trục khuỷu và bánh đà.

2.1/ Trục khuỷu

Trục khuỷu là chi tiết quan trọng và phức tạp của động cơ. Nó tiếp nhận lực đẩy của thanh truyền và  truyền cho bánh đà.

Trục khuỷu làm bằng thép rèn chất lượng cao để đảm bảo được độ cứng vững và mài mòn tốt.

Trục khuỷu được đặt trong các ổ trục chính ở thân máy. Để dễ dàng tháo lắp trục khuỷu, ổ trục chính chia làm hai nửa và được lắp ghép lại với nhau bằng vít.

• Đầu trục khuỷu được lắp bánh xích hoặc bánh đai răng để dẫn động cơ cấu phân phối khí. Ngoài ra, nó còn dẫn động bơm trợ lực lái, máy nén hệ thống điều hoà, bơm nước, máy phát điện…
• Đuôi trục khuỷu có mặt bích để lắp bánh đà và để đỡ đầu trục sơ cấp hộp số.
• Các cổ trục chính và chốt khuỷu được gia công rất chính xác và có độ bóng cao. Dầu nhờn từ thân máy được dẫn tới các ổ trục chính để bôi trơn các cổ trục và các bạc lót.
• Chốt khuỷu dùng để gá lắp đầu to thanh truyền. Ở động cơ chữ V, trên cùng một chốt khuỷu được gá lắp hai thanh truyền. Dầu nhờn bôi trơn chốt khuỷu được dẫn từ cổ trục chính qua đường ống.
• Đối trọng dùng để cân bằng lực quán tính và mô men quán tính.
• Trong quá trình làm việc trục khuỷu sinh ra dao động xoắn. Tần số dao động xoắn là 5 lần/s. Khi tăng tốc và có tải, tần số dao động từ 25 đến 30 lần trong một giây. Để giảm dao động xoắn, ở đầu trục khuỷu người ta lắp bộ giảm chấn. Bộ giảm chấn thường là pu li dẫn động các hệ thống bên ngoài.

2.1.1/ Bạc lót chính

Bạc lót chính dùng để đỡ cổ trục chính của trục khuỷu. Các bạc lót chính được chia làm hai nửa hình tròn bao xung quanh cổ trục chính.

Nửa phía trên của bạc lót có một hoặc nhiều lỗ dầu dùng để dẫn nhớt từ thân máy đến cổ trục. Nó được gá lắp vào nửa ổ trục trên thân máy.

Nửa phía dưới được lắp vào nắp của bợ trục. Thông thường nửa bạc lót trên và dưới không th? lắp lẫn với nhau được. Trên mỗi nửa bạc lót có vấu định vị để chống xoay.

Lớp hợp kim chịu ma sát là vật liệu mềm, nó có thể là hợp kim trắng, Kelmet hoặc hợp kim nhôm.

• Hợp kim trắng: Vật liệu hợp kim chịu ma sát gồm thiếc, chì, antimon, kẽm và một số loại khác. Loại này chịu ma sát tốt, nhưng độ bền thấp, do đó nó được sử dụng ở động cơ có tải nhỏ.
• Hợp kim Kelmet: Loại này trên miếng thép được phủ một lớp đồng và hợp kim chì. Có khả năng chịu áp suất và chịu mỏi lớn hơn loại dùng hợp kim trắng. Nó được sử dụng trong động cơ có số vòng quay cao và tải trọng lớn.
• Hợp kim nhôm: Lớp hợp kim chịu ma sát gồm hợp kim nhôm và thiếc. Loại này có khả năng chịu mòn rất cao và truyền nhiệt lớn hơn hợp kim trắng và kelmet. Vì vậy, nó được sử hầu hết trong các loại động cơ xăng.

2.1.2/ Bạc lót thanh truyền

Các bạc lót thanh truyền giống như bạc lót cổ trục chính về mặt kết cấu. Một nửa miếng bạc lót lắp trên thanh truyền và nửa còn lại lắp trên nắp đầu to thanh truyền.

2.1.3/ Hạn chế chuyển động dọc

Ở một trong các cổ trục chính người ta có lắp một bạc chận để hạn chế chuyển động dọc của trục khuỷu. Bạc chận có thể được chế tạo liền với bạc lót chính hoặc chế tạo rời gồm 4 mảnh. Nó được lắp ráp ở hai đầu của cổ trục chính, trên bạc chận có gia công các rãnh thoát nhớt.

2.1.4/ Khe hở dầu

Trong quá trình làm việc phải đảm bảo có một lớp nhớt mỏng bôi trơn nằm giữa các bạc lót và cổ trục, để trục và bạc lót không ma sát trực tiếp với nhau khi trục khuỷu chuyển động. Do đó, phải tồn tại một khe hở bé giữa cổ trục và bạc lót để hình thành màng dầu làm trơn. Khe hở này được gọi là khe hở dầu. Trị số khe hở tuỳ thuộc vào kiểu động cơ, thông thường nó nằm trong khoảng 0,02 đến 0,06mm.

Dòng dầu nhớt ổn định chảy qua bạc lót, có tác dụng làm trơn, làm mát và cuốn đi các mạt kim loại và chất bẩn ra khỏi bề mặt bạc lót.

Nếu khe hở bạc quá lớn, quá nhiều dầu nhớt chảy vào bạc lót làm áp suất nhớt tuột giảm, cổ trục sẽ va đập mạnh vào bạc lót làm hư hỏng bạc. Nếu khe hở quá nhỏ, không đủ dầu làm trơn, gây ra ma sát lớn giữa trục và ổ đỡ, làm cho bạc lót bị mòn nhanh và thậm chí hợp kim chịu ma sát bị tróc ra khỏi bạc lót.

2.2/ Thanh truyền

Thanh truyền kết nối giữa trục piston và chốt khuỷu. Nó dùng để biến chuyển động lên xuống của piston thành chuyển động quay tròn của trục khuỷu và ngược lại.

Số lượng thanh truyền sử dụng bằng với số xy lanh của động cơ. Thanh truyền được chia làm 3 phần: Đầu nhỏ thanh truyền kết nối với trục piston, đầu to thanh truyền được chia làm hai nửa được lắp ghép với chốt khuỷu, phần nối giữa đầu nhỏ và đầu to thanh truyền được gọi là thân thanh truyền.

Dầu nhờn từ cổ trục chính đi qua đường ống dẫn trong trục khuỷu đến bôi trơn đầu to thanh truyền, sau đó đi ra hai mép đầu to để bôi trơn xy lanh-piston dưới tác dụng của lực li tâm.

Bên hông đầu to thanh truyền có bố trí một lỗ dầu, dùng để làm mát đỉnh piston khi lỗ dầu trên chốt khuỷu trùng với lỗ dầu trên đầu to thanh truyền.

2.3/ Bánh đà

Bánh đà chế tạo bằng gang và được bố trí ở đuôi trục khuỷu. Động cơ sử dụng hộp số tự động, nó là một vành mỏng kết hợp với biến mô thuỷ lực. Khi số xy lanh của động cơ càng cao, khối lượng của bánh đà càng nhỏ.

Bánh đà dùng để ổn định số vòng quay trục khuỷu ở tốc độ bé nhất. Ngoài ra, nó còn dùng để khởi động và truyền công suất đến hệ thống truyền lực.

2.4/ Piston

Trong quá trình làm việc, piston chuyển động lên xuống trong xy lanh để tạo ra các quá trình. Đỉnh piston tiếp nhận lực khí cháy để làm quay trục khuỷu qua trung gian của thanh truyền và trục piston. Đỉnh piston là phần trên cùng của piston, đồng thời nó cũng là đáy của buồng đốt. Đỉnh piston có đường đỉnh bằng, lồi hoặc lõm.

[row ] [col span=”1/3″ ] [/col] [col span=”1/3″ ]
[/col] [col span=”1/3″ ] [/col] [/row]

Đầu piston bao gồm đỉnh piston và vùng chứa xéc măng. Trên đầu piston có lắp các xéc măng để làm kín buồng cháy. Trong quá trình làm việc, một phần nhiệt từ piston truyền qua xéc măng đến xy lanh và ra nước làm mát.

Tình trạng chịu nhiệt của piston là không đều, nhiệt độ của đầu piston cao hơn phần thân rất nhiều nên nó giãn nở nhiều hơn khi làm việc. Do vậy, người ta chế tạo đường kính đầu piston hơi nhỏ hơn phần thân một chút ở nhiệt độ bình thường, dạng này được gọi là dạng côn của piston.

Đuôi piston là phần còn lại của piston, nó dùng để dẫn hướng. Sự mài mòn nhiều nhất của phần thân xảy ra theo phương vuông góc với tâm trục piston.

Thân piston có dạng oval, dường kính theo phương vuông góc với trục piston hơi lớn hơn đường kính  theo phương song song với trục piston, để bù lại sự giãn nở nhiệt do phần kim loại bệ trục piston dày  hơn các chỗ khác. Khi piston làm việc ở nhiệt độ bình thường thì nó có dạng hình trụ.

2.4.1/ Khe hở Piston

Khi piston chịu tác dụng của nhiệt độ, nó sẽ giãn nở làm cho đường kính của piston gia tăng. Do Đó, cần thiết phải có một khe hở để đảm bảo piston chuyển động trong xy lanh khi làm việc. Khe hở này được gọi là khe hở piston. Khe hở này phụ thuộc vào kiểu động cơ, nó nằm trong khoảng 0,02 mm đến 0,12 mm.

2.4.2/ Độ lệnh tâm

Trong quá trình nén, thanh truyền đẩy piston đi lên. Dưới tác dụng của lực ngang, làm cho piston tiếp xúc với xy lanh ở bên phải theo hình vẽ.  Ở kỳ nổ, dưới tác dụng của áp suất cháy, lực ngang sinh ra hướng trái làm cho piston thay đổi chiều  đột ngột. Nguyên nhân này làm cho piston va đập mạnh vào vách xy lanh sinh ra tiếng gõ.

Sự gõ của piston phụ thuộc rất nhiều vào khe hở lắp ghép giữa piston và xy lanh. Để khắc phục, người ta chế tạo đường tâm của trục piston hơi lệch một chút so với tâm piston. Khoảng lệch này gọi là khoảng lệch tâm.

Ở động cơ piston lệch tâm, khi thanh truyền đẩy piston đi lên ở kỳ nén, dưới tác dụng của lực ngang sẽ làm cho piston tiếp xúc với vách xy lanh ở bên phải.

Ở cuối kỳ nén, áp suất nén tác dụng lên đỉnh piston mạnh nên làm cho piston chuyển hướng tiếp xúc. Khi quá trình cháy xảy ra, dưới tác dụng của áp suất cháy, chiều của lực ngang sẽ thay đổi sang trái. Do có sự đổi hướng trước ở cuối quá trình nén, nên piston không có sự thay đổi chiều đột ngột. Nguyên nhân này làm giảm sự va đập của piston vào vách xy lanh.

2.5/ Xéc măng

Các xéc măng được bố trí bên trong các rãnh của piston. Đường kính ngoài của xéc măng hơi lớn hơn đường kính ngoài của piston. Khi lắp cụm piston–xéc măng vào xy lanh, lực đàn hồi của xéc măng sẽ làm cho bề mặt làm việc của xéc măng áp sát vào vách xy lanh.  Vật liệu chế tạo xéc măng là vật liệu chống mài mòn cao, nó thường là gang hợp kim hoặc thép hợp kim.

Xéc măng làm kín có chức năng làm kín buồng đốt, quét dầu nhờn xuống các-te và truyền nhiệt từ piston đến xy lanh. Số lượng của xéc măng làm kín phụ thuộc vào tốc độ của động cơ, khi tốc độ động cơ càng cao, số lượng xéc măng làm kín càng ít.

Ở quá trình nạp, piston chuyển động đi xuống, mép dưới của xéc măng làm kín gạt dầu bám vào vách xy lanh mà xéc măng dầu chưa gạt hết. Ở quá trình nén và thải, xéc măng làm kín lướt trên màng dầu sao cho dầu không đẩy vào buồng đốt. Ở quá trình cháy, xéc măng làm kín làm kín hoàn toàn buồng đốt.

Xéc măng dầu kiểm soát sự bôi trơn thành xy lanh và gạt dầu trở lại các-te. Xéc măng dầu có hai kiểu: Loại dạng khối và loại 3 chi tiết.

2.5.1/ Khe hở ở miệng xéc măng

Xéc măng lắp vào xy lanh phải tồn tại khe hở miệng. Khe hở này phải nhỏ để đảm bảo làm kín khi nhiệt độ động cơ đạt bình thường. Khe hở miệng của xéc măng nằm trong khoảng 0,2 đến 0,5mm.

2.6/ Trục Piston

Trục piston kết nối piston với đầu nhỏ thanh truyền. Nó dùng để truyền chuyển động từ piston đến thanh truyền và ngược lại. Có hai kiểu lắp ghép trục piston.

• Cố định trục piston trong đầu nhỏ thanh truyền bằng cách ghép độ dôi hoặc dùng bu lông.
• Kiểu ghép thứ hai: trục piston xoay được trong lỗ trục piston và đầu nhỏ thanh truyền. Đối với loại này phải hạn chế chuyển động dọc của trục piston bằng cách dùng khoen chận ở hai đầu trục.