Động cơ innova 1TR-FE

CHƯƠNG II CÁC CƠ CẤU CHÍNH CỦA ĐỘNG CƠ TOYOTA- INNOVA Động cơ 1TR-FE là loại động cơ xăng thế hệ mới, 4 xi lanh thẳng hàng, dung tích xi lanh 2.0 lít, trục cam kép DOHC 16 xu páp dẫn động bằng xích với hệ thống van nạp biến thiên thông minh VVT-i. Dưới đây tập trung đi vào một số cơ cấu chính của động cơ. 2.1 Cơ cấu khuỷu trục- thanh truyền 2.1.1 Nhiệm vụ: Cơ cấu khuỷu trục thanh truyền là cơ cấu chính trong động cơ nó có nhiệm vụ nhận và biến đổi lực khí thể do đốt cháy nhiên liệu thành momen quay của trục khuỷu, nó bao gồm hai nhóm chi tiết là nhóm chi tiết cố định và nhóm chi tiết chuyển động. Nhóm chi tiết cố định gồm thân máy nắp xy lanh và các te dầu. Nhóm chi tiết chuyển động gồm nhóm pít tông, thanh truyền, trục khuỷu, bánh đà. 2.1.2 Các chi tiết chính: a, Thân máy: Thân máy cùng với nắp xy lanh là nơi lắp đặt và bố trí hầu hết các cụm các chi tiết của động cơ. Cụ thể trên thân máy bố trí xy lanh, hệ trục khuỷu, và các bộ phận truyền động để dẫn động các cơ cấu và hệ thống khác của động cơ như trục cam, bơm nhiên liệu, bơm nước, bơm dầu, quạt gió… Thân máy động cơ 1 TR-FE được giới thiệu trên hình 2.1 Hình 2.1: Thân máy Thân máy của động cơ loại thân xy lanh - hộp trục khuỷu. Thân máy được chế tạo bằng thép đúc. Các vách ngăn ở các te trên có gia công các gân để tăng độ cứng vững cho thân, thân phía trong có các bệ để lắp ổ trục chính, nắp gối đỡ ổ trục chính được bắt bằng bu lông, trên thân máy có các áo nước để làm mát cho động cơ , các lỗ ren trên thân máy được dùng để bắt nắp máy và các te với thân máy . Xy lanh được doa thẳng vào thân máy. Đường kính xy lanh nằm trong khoảng 86.0 x 86.0 mm. Khe hở giữa pít tông và xy lanh của động cơ 1 TR- FE nằm trong khoảng 0,02 - 0,04 mm. Để tăng thời gian sử dụng động cơ, thân máy có thể doa để lên cốt sửa chữa cho xy lanh ( Lên cốt sửa chữa là tăng đường kính xy lanh lên 0,25 mm ). Chỉ có thể lên 4 cốt sửa chữa, nếu doa rộng quá cốt 4 sẽ làm mất lớp bề mặt xy lanh . Phần dưới của thân máy có 4 ổ đỡ trục khuỷu. Nắp ổ đỡ trục khuỷu được bắt vào thân máy bằng bu lông, và được gia công cùng với thân máy. Do đó không lắp lẫn được các lắp ổ đỡ trục khuỷu, vì vậy trong quá trình sửa chữa cần chú ý đến vị trí của các nắp ổ đỡ. Tránh nắp nhầm vị trí của các ổ đỡ gây bó kẹt dẫn tới phá vỡ kết cấu lắp ghép. *Nhận xét: Có thể nói kết cấu của thân máy kiểu xy lanh được đúc liền với thân máy có ưu điểm là có độ cứng vững cao kết cấu gọn, bảo đảm độ kín khít giữa xy lanhvà khoang làm mát. Song kết cấu như vậy cũng có nhược điểm là việc chế tạo khó khăn do các đường nước bố trí bên trong nên trong quá trình đúc thân máy khó. Khó khăn cho quá trình sửa chữa cũng như số lần được phép sửa chữa không nhiều (chỉ được tăng cốt 4 lần tức là tăng đường kính xy lanh lên 1mm). Vượt quá kích thước này sẽ làm mất phần vật liệu thuộc lớp bề mặt xy lanh ( Tức là lớp vật liệu chịu nhiệt độ và mài mòn cao). Khi lớp bề mặt xi lanh mất đi chỉ có thể khắc phục bằng phương pháp doa rộng xi lanh và lắp ống lót mới , nếu không thể lắp thêm ống lót thì buộc phải thay cả thân máy. Đây là một nhược điểm của kết cấu kiểu này không phù hợp với điều kiện Việt Nam khi nền kinh tế còn nghèo. b, Nắp xy lanh: Nắp máy được đúc liền một khối cho cả 4 xi lanh và được đúc bằng hợp kim nhôm. Các ống dẫn hướng xupap làm bằng kim loại gốm và được ép vào nắp máy. Trên nắp máy cũng bố trí các áo nước làm mát và được thông với áo nước của thân máy. Nắp được đinh vị với thân nhờ bu lông cấy trên thân máy. Nắp máy còn được gia công các lỗ để bắt chặt với thân máy nhờ bu lông và các lỗ ren để bắt vòi phun, bugi. Các đường rãnh dẫn khí nạp được bố trí 1 góc có độ nghiêng thích hợp nhằm tạo ra chuyển động theo phương tiếp tuyến của dòng khí nạp đối với mặt trụ bên trong của xi lanh, chuyển động đó tạo thành xoáy lốc, có tác dụng làm tăng chất lượng của quá trình tạo hỗn hợp và đốt cháy nhiên liệu. Giữa thân máy và nắp máy có đệm làm kín bằng hợp kim nhôm khi xiết các bu lông mặt máy 1 lực từ 7 đến 8 KG đệm biến dạng tạo sự kín khít giữa thân máy và nắp máy. Ngoài nắp máy có lắp dàn cò mổ bằng hợp kim nhôm. Nắp máy của động cơ 1 TR- FE được giới thiệu trên hình 2.2. Hình 2.2: Nắp máy động cơ 1 TR-FE Điều kiện làm việc của nắp xy lanh rất khắc nhiệt như nhiệt độ cao, áp suất khí thể rất lớn và bị ăn mòn hoá học bởỉ các chất ăn mòn trong sản phẩm cháy. c.Nhóm Pít tông: Các chi tiết của pít tông bao gồm: pít tông, các xéc măng khí, xéc măng dầu, chốt pít tông và các chi tiết khác. Nhóm pít tông của động cơ Toyota - Innova được giới thiệu trên hình 2.3 Hình 2.3: Nhóm pít tông 1. Pít tông; 2. Chốt pít tông; 3. Vòng hãm; 4. Xéc măng khí; 5. Xéc măng dầu; 6. Thanh truyền; 7. Bạc đầu nhỏ thanh truyền Pít tông : Vai trò: chủ yếu của pít tông là cùng với các chi tiết khác như xy lanh, nắp xy lanh bao kín tạo thành buồng cháy, đồng thời truyền lực khí thể cho thanh truyền cũng như nhận lực từ thanh truyền để nén khí. Điều kiện làm việc: Điều kiện làm việc của pít tông rất khắc nhiệt. Trong quá trình làm việc pít tông phải chịu tải trọng cơ học lớn có chu kỳ, nhiệt độ cao. Pít tông của động cơ được chế tạo bằng hợp kim nhôm chịu nhiệt. Pít tông có dạng đỉnh lõm, do đó có thể tạo xoáy lốc nhẹ tạo thuận lợi cho quá trình hình thành khí hỗn hợp và cháy. Trên phần đầu pít tông có xẻ 3 rãnh để lắp các xéc măng khí và xéc măng dầu. Khe hở giữa phần đầu pít tông và thành xy lanh nằm trong khoảng 0,04 0,06 mm. Thân pít tông có dạng hình côn tiết diện ngang hình ôvan và có hai bệ để đỡ chốt pít tông. Thân pít tông có nhiệm vụ dẫn hướng cho pít tông chuyển động trong xy lanh. Để đảm bảo cho pít tông chuyển động dễ dàng trong xy lanh, khe hở giữa phần thân pít tông và thành xy lanh ở chế độ khi nước làm mát 80 900C nằm trong khoảng 0,04 0,06 mm. Xéc măng: Xéc măng của động cơ Toyota- Innova được giới thiệu trên hình 2.4 Trên piston có 2 loại xéc măng là xéc măng khí và xéc măng dầu. Hình 2.4: Xéc măng 1.Xéc măng dầu; 2.Xéc măng khí Xéc măng khí có nhiệm vụ bao kín buồng cháy của động cơ và dẫn nhiệt từ đỉnh pít tông ra thành xy lanh và tới nước làm mát. Mỗi pít tông được lắp 2 xéc măng khí vào hai rãnh trên cùng của đầu pít tông. Để xéc măng rà khít với thành xy lanh nó được mạ một lớp thiếc. Xéc măng khí phía trên được mạ crôm để giảm mài mòn. Khi lắp khe hở miệng của xéc măng nằm trong khoảng 0,30,5 mm để giảm hiện tượng lọt khí xuống các te khi lắp đặt miệng xéc măng phải lệch nhau 1800. Vật liệu chế tạo xéc măng khí là thép hợp kim cứng. Xéc măng dầu được làm từ thép chống gỉ. Xéc măng dầu có nhiệm vụ san đều lớp dầu trên bề mặt làm việc và gạt dầu bôi trơn thừa từ thành xy lanh về các te. Xéc măng dầu có các lỗ dầu và được lắp vào rãnh dưới cùng của pít tông. Trong rãnh có lỗ nhỏ ăn thông với khoang trống phía trong pít tông. Khi lắp khe hở miệng xéc măng nằm trong khoảng 0,10,5 mm. Chốt pít tông: Chốt pít tông là chi tiết nối pít tông và đầu nhỏ thanh truyền. Tuy có kết cấu đơn giản nhưng chốt pít tông có vai trò rất quan trọng để đảm bảo điều kiện làm việc bình thường của động cơ. Trong quá trình làm việc của mình chốt pít tông chịu lắc, va đập tuần hoàn, nhiệt độ cao và điều kiện bôi trơn khó khăn. Chốt pít tông của động cơ Toyota- Innova được giới thiệu trên hình 2.5 Hình 2.5: Chốt pít tông 1.Vòng hãm; 2.Chốt pít tông Chốt pít tông được chế tạo bằng thép hợp kim có các thành phần hợp kim như: crôm, măng gan, thành phần các bon thấp… được xử lý tăng cứng và mài bóng. Chốt pít tông có dạng hình trụ rỗng. Các mối ghép giữa chốt pít tông với pít tông và thanh truyền theo hệ trục để đảm bảo lắp ghép dễ dàng. Chốt pít tông được lắp tự do ở cả hai mối ghép. Khi lắp ráp mối ghép giữa chốt và bạc đầu nhỏ thanh truyền là mối ghép lỏng, còn mối ghép với bệ chốt là mối ghép trung gian, có độ dôi. Phương pháp lắp này làm cho chốt mòn đều hơn và chịu mỏi tốt hơn nhưng khó bôi trơn mối ghép phải có kết cấu hạn chế di chuyển dọc trục của chốt. d. Thanh truyền: Thanh truyền là chi tiết nối giữa pít tông và trục khuỷu. Trong quá trình làm việc thanh truyền chịu lực khí thể, lực quán tính của nhóm pít tông và lực quán tính của bản thân thanh truyền. Các lực trên đều là các lực tuần hoàn va đập. Trong quá trình làm việc của động cơ, thanh truyền thực hiện 2 chuyển động phức tạp: Chuyển động tịnh tiến dọc theo thân xy lanh và chuyển động lắc tương đố so với trục của chốt pít tông. Thanh truyền được chế tạo bằng thép hợp kim, trong thân thanh truyền có khoan rãnh dẫn dầu bôi trơn nên bề mặt bạc đầu nhỏ và chốt pít tông. Trên thanh truyền và có đánh dấu ở nửa trên đầu to thanh truyền và nửa dưới đầu to thanh truyền, cùng với dấu ở pít tông khi lắp các dấu này phải cùng phía và quay về phía đầu động cơ. Trên hình 2.6 giới thiệu dấu định vị trên nhóm pít tông- thanh truyền. Hình 2.6: vạch dấu định vị trên nhóm pít tông- thanh truyền Bạc đầu nhỏ thanh truyền bằng đồng thanh có dạnh hình trục rỗng, trên bạc có lỗ dẫn dầu tương ứng với lỗ trên dầu nhỏ thanh truyền. Bạc đầu to là loại thanh mỏng và lắp lẫn được. Bạc lót gồm hai nửa được dập ghép từ thép mềm và được phủ một lớp chịu mòn là hợp kim nhôm có hàm lượng thiếc cao, chiều dày của bạc lót sau khi phủ là 1,6mm, chiều rộng là 25mm, bạc có gờ khớp với rãnh ở nửa trên và nắp dưới của đầu to để chống xoay. Để đảm bảo cân bằng cơ cấu khủy trục– thanh truyền, khối lượng của thanh truyền lựa chọn khi lắp không chênh lệch quá 6- 8 gam. e.Trục khuỷu: Vai trò của trục khuỷu: trục khuỷu nhận lực tác dụng từ pít tông tạo mômen quay kéo các máy công tác và nhận năng lượng của bánh đà; sau đó truyền cho thanh truyền và pít tông thực hiện quá trình nén cũng như trao đổi khí trong xy lanh. Điều kiện làm việc của trục khuỷu hết sức khắc nhiệt nó phải chịu lực T, Z do lực khí thể và lực quán tính của nhóm pít tông- thanh truyền gây ra.Ngoài ra trục khuỷu còn chịu lực quán tính ly tâm của các khối lượng quay lệch tâm của bản thân trục khuỷu và thanh truyền. Những lực này gây uốn xoắn dao động xoắn và dao động ngang của trục khuỷu trên các ổ đỡ. Trục khuỷu của động cơ Toyota 7M- GTE được giới thiệu trên hình 2.7 Hình2.7: Cấu tạo trục khuỷu Trục khuỷu của động cơ được chế tạo bằng thép hợp kim có các thành phần mănggan, vômphram… Phôi trục khuỷu chế tạo bằng phương pháp rèn khuôn hoặc rèn tự do. Sau đó phôi được ủ và thường hoá trước khi gia công cơ. Tiếp theo gia công cơ trục khuỷu được nhiệt luyện và xử lý bề mặt rồi gia công chính xác các bề mặt làm việc, cổ trục chính và cổ khuỷu. Trên trục khuỷu gồm có đầu trục, các cổ khuỷu, má khuỷu, đối trọng và đuôi trục. Trục khuỷu gồm có 6 chốt khuỷu và 4 cổ trục. Trục khuỷu của động cơ toyota 7M-GTE có 8 đối trọng đúc liền. Trên đầu trục có then để lắp puly dẫn động quạt gió, bơm nước cho hệ thống làm mát, có bánh răng trục khuỷu để dẫn động trục cam, bơm dầu. Cổ trục khuỷu được gia công và xử lý bề mặt đạt độ cứng và độ bóng cao. Các cổ trục đều có chung một đường kính. Cổ khuỷu được làm rỗng để làm rãnh dần dầu bôi trơn đến các cổ và chốt khác của trục khuỷu. Chốt khuỷu cũng được gia công và xử lý bề mặt để đạt độ cứng và độ bóng cao. Đường kính chốt nhỏ hơn đường kính cổ. Chốt khuỷu cũng được làm rỗng để giảm trọng lượng và chứa dầu bôi trơn. Các đối trọng được làm liền với má. Đuôi trục khuỷu có mặt bích để lắp bánh đà và được làm rỗng để lắp vòng bi đỡ trục sơ cấp của hộp số. Bánh đà: Bánh đà của động cơ có kết cấu dạng đĩa như hình 2.8 Hình 2.8: Bánh đà Bánh đà giữ cho độ chuyển động không đồng đều của trục khuỷu động nằm trong giới hạn cho phép và dự trữ động năng cho quá trình nén và thải, là nơi lắp các chi tiết của cơ cấu khởi động như vành răng khởi động và là nơi đánh dấu tương ứng với điểm chết và khắc vạch chia độ góc quay trục khuỷu. Bánh đà được chế tạo từ gang xám và được cân bằng động cùng với trục khuỷu. 2.2 cơ cấu phối khí 2.2.1 Nhiệm vụ - yêu cầu: Cơ cấu phối khí bao gồm tất cả các cụm, các chi tiết và các kết cấu với chức năng đảm bảo quá trình trao đổi khí giữa xy lanh động cơ với môi trường bên ngoài trong các quá trình nạp khí vào xy lanh và thải các sản phẩm cháy từ xy lanh ra môi trường bên ngoài. Cơ cấu phối khí động cơ xăng 1 TR- FE là loại bao gồm 2 trục cam, và mỗi trục cam dẫn động trực tiếp các xu páp, đảm bảo chuyển động chính xác của các xu páp. Cơ cấu phối khí của động cơ Toyota- Innova được giới thiệu trên hình 2.9 Hình 2.9: Cơ cấu phối khí 1. Bộ điều khiển VVT-I , 2. Cảm biến vị trí trục cam, 3. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát, 4. Van điều khiển phối khí trục cam, 5. Cảm biến vị trí trục khuỷu. Cơ cấu được điều khiển bằng hệ thống VVT-I, hệ thống điều khiển thời điểm phối khí thông minh, hệ thống này sử dụng áp suất thủy lực để thay đổi thời điểm đóng và mở của xupap nạp, kết quả là nâng cao hiệu quả nap, mô men, công suất phát ra, tính kinh tế nhiên liệu và làm sạch khí xả. Yêu cầu đối với cơ cấu phối khí đó là: Nạp đầy và thải sạch ở mọi chế độ làm việc của động cơ; Tiếng ồn thấp, khả năng bao kín tốt; Độ bền và độ tin cậy làm việc cao; Dễ dàng lắp ráp thay thế chi tiết và sửa chữa bảo dưỡng điều chỉnh. 2.2.2 Các chi tiết chính: a, Trục cam: Trục cam dùng để dẫn động xu páp đóng mở theo quy luật nhất định phù hợp với thứ tự làm việc của động cơ. Điều kiện làm việc: Về mặt tải trọng trục cam không phải chịu điều kiện làm việc nặng nhọc. Các bề mặt làm việc của cam tiếp xúc thường ở dạng trượt nên dạng hỏng chủ yếu là mài mòn. Trục cam được chế từ thép hợp kim, các bề mặt làm việc của cam và các cổ trục được thấm than và tôi cứng với độ thấm cứng tôi khoảng 0,7 2 mm đạt độ cứng 52 65 HRC. Trong động cơ Toyota- Innova có hai trục cam được lắp ở trên nắp xy lanh, các vấu cam được làm liền với trục. Trên mỗi trục có 12 cam có dạng cam lồi. Trục cam được dẫn động từ trục khuỷu, thông qua truyền động đai răng các bánh răng đai đẫn động cần phải ăn khớp với puly ở vị trí xác định đã được đánh dấu để đảm bảo pha phối khí và thứ tự làm việc của động cơ. Cổ trục và cam được bôi trơn bằng dầu bôi trơn được dẫn từ ống dầu bên trong trục cam qua cửa dầu. b, Xu páp: Xu páp là chi tiết trực tiếp đóng mở các cửa nạp và thải để thực hiện quá trình nạp thải và bao kín buồng cháy theo yêu cầu làm việc của từng xy lanh, trên động cơ sử dụng 2 xu páp nạp và 2 xu páp thải cho 1 xy lanh. Xu páp là chi tiết làm việc trong điều kiện nặng nề nhất của cơ cấu phối khí. Do tiếp xúc trực tiếp với khí cháy nên các xu páp chịu áp lực rất lớn và nhiệt độ cao nhất là đối với xu páp thải. Khi xu páp đóng mở nấm xu páp va đập với đế nên nấm dễ bị biến dạng cong vênh và mòn rỗ bề mặt nấm. Do vận tốc lưu động của môi chất qua xu páp rất lớn. Đối với xu páp thải vận tốc này có thể đạt 400 600 m/s gây ăn mòn cơ học bề mặt nấm và đế. Xu páp thải của động cơ được chế tạo bằng thép hợp kim chịu nhiệt có các thành phần như: silic, crôm, mănggan. Đối với xu páp nạp cũng sử dụng thép hợp kim crôm, mănggan. Tuy nhiên khả năng chịu nhiệt không cao như đối với xu páp thải. Theo kết cấu xu páp được chia làm 3 phần: nấm, thân và đuôi Xuppa động cơ Toyota - Innova được gới thiệu trên hình 2.10 Hình 2.10: Kết cấu các phần của xu páp và lắp ghép xu páp với đế 1.Đuôi xu páp; 2.Thân xu páp; 3.Nấm xu páp Nấm xu páp có chức năng là đóng kín vì vậy phần quan trọng nhất của nấm là bề mặt làm việc của nấm với góc vát 450. Cả xu páp thải và nạp của động cơ đều có kết cấu dạng nấm bằng. Ưu điểm của nấm bằng là đơn giản dễ chế tạo và có diện tích chịu nhiệt nhỏ. Độ cứng vững của tán nấm khá cao nên có thể giảm bán kính góc lượn từ phần tán nấm tới phần thân để giảm khối lượng. Thân xu páp có tiết diện ngang là hình tròn. Thân xu páp có nhiệm vụ dấn hướng và tản nhiệt cho nấm xu páp. Phần nối tiếp giữa nấm và thân được làm nhỏ lại để dễ gia công và tránh bị kẹt xu páp trong ống dẫn hướng vì phần dưới của thân có nhiệt độ cao hơn phần trên. Phần đuôi xu páp có chỗ thắt để ăn khớp với các gờ của móng hãm. Có lắp chụp và bạc tì để nhận truyền động từ trục cam qua các vấu cam. Để tránh hiện tượng giãn nở làm kênh xu páp nên có khe hở nhiệt. Khe hở nhiệt được xác định bằng căn lá có độ dày bằng khe hở quy định đặt vào đuôi xu páp khi điều chỉnh. Phương pháp điều chỉnh khe hở nhiệt đối với động cơ Toyota 7M- GTE là thay đổi chiều dày của bạc tì ở phía trên chụp đuôi xu páp cho phép thay thế bạc mà không cần phải tháo trục cam, khi điều chỉnh khe hở nhiệt xu páp phải đảm bảo đóng kín. Khi khe hở nhiệt quá lớn, các xu páp mở không hoàn toàn, do đó làm giảm chất lượng quá trình nạp và thải, gây ra va đập, ngược lại khi khe hở nhiệt quá nhỏ, các xu páp đóng không hoàn toàn do đó dẫn đến lọt khí, tạo muội trên mặt đế xu páp, khe hở nhiệt cần phải đảm bảo từ 0,25 – 0,3 mm đối với xu páp thải, 0,15 - 0,2 mm đối với xu páp nạp. Đế xu páp là một chi tiết mặt côn để đảm bảo đóng kín xu páp. Yêu cầu đối với đế xu páp là phải có tuổi thọ cao, khả năng tạo ra sự kín khít tốt với mặt côn tán nấm xu páp để tránh lọt khí cũng như phải dẫn nhiệt tốt để giảm được nhiệt độ phần tán nấm. Đế xu páp của động cơ được chế tạo rời bằng thép hợp kim rồi nắp vào nắp máy. c, Ống dẫn hướng xu páp: Để thuận lợi cho việc gia công, đại tu, sửa chữa và kéo dài tuổi thọ lắp xy lanh giữa thân xu páp và nắp xy lanh có một chi tiết trung gian là ống dẫn hướng. Ống dẫn hướng lắp lỏng với thân xu páp và có chức năng dẫn hướng cho xu páp chuyển động tịnh tiến qua lại khi đóng mở. Ống được ép căng vào lỗ gia công trong nắp xy lanh. Ống được chế tạo bằng gang hợp kim hoặc gang dẻo nhiệt luyện. Ống có kết cấu hình trụ rỗng có vát mặt đầu để dễ lắp ráp. d, Lò xo xu páp: Xu páp tì chặt lên đế đóng kín đường thông là nhờ lực đẩy của lò xo. Trên mỗi xu páp có lắp một lò xo. Lò xo xu páp được chế tạo bằng thép lò xo (thép crom sillic) sau đó được ram cứng. Giúp cho lò xo xu páp đảm bảo ngay cả ở tốc độ động cơ cao. Lò xo xu páp có kết cấu hình trụ, hai đầu mài phẳng để lắp ráp với đĩa xu páp.