Mục lục:
Thân máy của động cơ làm mát bằng chất lỏng gồm có nửa trên hộp trục khuỷu và khối xi lanh và được đúc thành một khối.
Những vật liệu sau đây được sử dụng:
- Gang đúc với graphit dạng tấm (gang xám). Ngoài độ cứng và độ bền cùng tính trượt và tính ma sát tốt, vật liệu này còn có độ giãn nhiệt thấp và tính giảm âm cao.
- Gang đúc với graphit dạng giun. Trong quá trình nguội của gang đúc, graphit không tách ra dưới dạng tấm mà dưới dạng giun. Hiệu ứng rãnh khía giữa những cấu trúc tinh thể ít hơn gang xám, nhờ vậy độ bền vững và độ cứng tăng lên nhiều. Điều này cho phép áp suất trong xy-lanh cao hơn so với vách xy-lanh cùng độ dày, hoặc có thể làm mỏng hơn để giảm trọng lượng.
- Hợp kim nhôm: Lợi điểm của hợp kim này so với gang xám là khối lượng riêng thấp, cũng như khả năng dẫn nhiệt tốt. Thân máy có thêm những đường gân để nâng cao độ ổn định riêng. Tính năng ma sát của các nòng xy-lanh phải được cải thiện qua những phương pháp sản xuất đặc biệt hay qua việc sử dụng những ống lót xy-lanh.
Hộp trục khuỷu
Hộp trục khuỷu là nơi chứa trục khuỷu.
Vì lực và mô-men xoắn lớn tác động lên trục khuỷu rồi tiếp tục tì lên hộp trục khuỷu nên bộ phận này phải có độ bền cứng và độ ổn định riêng cao hơn.
Kết cấu: Hộp trục khuỷu thường được chia làm hai phần tại ổ đỡ trục khuỷu. Nửa trên hộp trục khuỷu có các ổ đỡ cho trục khuỷu. Nắp ổ đỡ được bắt chặt từ dưới lên nhờ các bu lông. Ưu điểm của kiểu bố trí này là trục khuỷu hay thậm chí là từng piston có thể được tháo lắp dễ dàng.
Ở những động cơ có mô-men xoắn cao, một chi tiết gọi là bàn tựa (Bed-Plate) được sử dụng thay cho mỗi ống lót ổ trục (Hình bên). Đó là một bộ phận có dạng tấm phẳng, liên kết tất cả những ống lót ổ trục của động cơ lại với nhau. Kiểu kết cấu này giúp hộp trục khuỷu có độ cứng vững cao hơn.
Nửa dưới hộp trục khuỷu tạo thành các-te dầu và được siết bằng bu lông kín dầu vào nửa trên hộp trục khuỷu.
Khối xy-lanh
Xi lanh của động cơ làm mát bằng chất lỏng được kết hợp thành một khối.
Điều kiện làm việc:
- Áp suất cháy và nhiệt độ cao
- Ứng suất nhiệt lớn do nhiệt độ thay đổi nhanh
- Hao mòn nòng xy-lanh do ma sát piston và cặn các-bon
- Ma sát tăng khi khởi động lạnh vì nhiên liệu thừa rửa trôi màng dầu bôi trơn trên vách xy-lanh.
Yêu cầu vật liệu:
- Tính dẫn nhiệt tốt
- Độ bền ma sát cao
- Tính trượt tốt cho mặt trượt của vách xy-lanh.
Kết cấu:
Khối xy-lanh có hai vách được bố trí với những đường làm mát (kênh dẫn chất lỏng làm mát). Chất lỏng làm mát (nước làm mát) được cung cấp bởi máy bơm, làm mát vách xy-lanh và theo các đường làm mát vào đầu xy-lanh.
Người ta phân biệt những kết cấu khác nhau như sau:
1 – Khối xy-lanh kiểu hở:
Áo nước bọc xung quanh những nòng xi lanh được để thông về phía đầu xi lanh. Nhờ đó khối xi lanh với các nòng xi lanh theo kiểu LOKASIL có thể được sản xuất bằng phương pháp đúc áp lực. Độ cứng thấp hơn của khối xi lanh kiểu hở đòi hỏi tấm đệm đầu xi lanh phải bằng kim loại thay vì bằng vật liệu mềm. Do tấm đệm đầu xi lanh có tính năng ít bị nén nên lực nén trước của bu lông đầu xi lanh có thể được giảm thiểu, vì thế giảm được việc xi lanh bị vênh hay nắp bị biến dạng.
2 – Khối xy-lanh kiểu kín:
Mặt trên của hộp trục khuỷu hướng về phía đầu xi lanh được bít kín, ngoại trừ những đường làm mát hoặc đường dầu. Kiểu cấu trúc này hầu như chỉ dùng vật liệu gang xám. Nếu những hợp kim AlSi (thí dụ ALUSIL-Xi lanh) được sử dụng, khối xi lanh được đúc khuôn hoặc đúc áp suất thấp.
3 – Khối xy-lanh kiểu nửa kín:
Kết hợp giữa 2 kiểu khối xy-lanh nói trên, phần rãnh nước làm mát được chia bởi một vách ngăn khiến chúng không thông với nhau hoàn toàn. Thiết kế này giúp cân bằng giữa việc giải nhiệt và độ cứng vứng của động cơ.
Ống lót xy-lanh
Ống lót xy-lanh làm bằng gang cao cấp hạt mịn (đúc ly tâm), được ép vào khối xy-lanh làm bằng gang hay hợp kim nhôm. Vì độ bền ma sát của chúng cao hơn so với nòng xy-lanh trong khối xy-lanh bằng gang nên chúng có tuổi thọ cao hơn.
Người ta phân biệt loại ống lót xy-lanh ướt và khô:
Ống lót xy-lanh ướt: Được chất lỏng làm mát trực tiếp bao quanh, qua đó tăng hiệu suất làm mát. Chúng có thể được thay thế riêng lẻ. Tuy nhiên khối xy-lanh không cứng và dễ bị vênh.
Đầu trên của ống lót xy-lanh có vành đế tựa. Phía hộp trục khuỷu phải được bao kín bằng những vòng đệm kín, nếu không chất lỏng làm mát sẽ chảy vào trong hộp trục khuỷu.
Ống lót xy-lanh khô: Là những ống mỏng được ép vào khối xy-lanh với kiểu lắp sít trượt hoặc lắp sít căng. Vì không tiếp xúc với chất lỏng làm mát nên việc truyền nhiệt cho chất làm mát kém hơn so với ống lót xy-lanh ướt. Ống lót xy-lanh với kiểu lắp sít trượt được gia công hoàn chỉnh trước khi được lắp ráp. Ống lót xy-lanh với kiểu lắp sít căng được ép vào khối xy-lanh với nòng xy-lanh đã được khoan trước. Sau đó chúng được dọa và mài khôn.
Ống lót xy-lanh làm mát bằng không khí: Xy-lanh làm mát bằng không khí được trang bị những cánh tản nhiệt để tăng diện tích tiếp xúc, nhờ vậy cải thiện hiệu suất làm mát. Những xy-lanh cánh tản nhiệt rời được bắt bu lông vào hộp trục khuỷu.
Xy-lanh làm mát bằng không khí chủ yếu được đúc từ hợp kim nhôm.
Mặt trượt xy-lanh
Vì tính trượt và tính chống mòn của ống xy-lanh bằng nhôm không thỏa các điều kiện đòi hỏi nên chúng phải được cải thiện tốt hơn qua những phương pháp sản xuất đặc biệt. Nếu không, những ống lót được đúc thêm vào.
Phương pháp đúc bằng hợp chất sắt-nhôm (phương pháp Alfin). Những ống lót bằng gang đúc với graphit dạng lá được phủ bên ngoài bởi một lớp sắt-nhôm (FeAl3) và sau đó hợp kim AlSi được đúc xung quanh để tạo thành cánh tản nhiệt. Qua lớp Alfin trung gian, ta đạt được một kết nối với tính dẫn nhiệt tốt giữa ống lót bằng gang đúc và hợp kim AlSi của cánh tản nhiệt.
Phương pháp ALUSIL. Khối xy-lanh được đúc từ hợp xim nhôm với thành phần silic cao (đến 18%) bằng phương pháp đúc khuôn hay đúc áp suất thấp. Để có thể hình thành tinh thể silic, nhất là trên bề mặt của mặt trượt xy-lanh, những lõi khuôn tạo hình xy-lanh được làm nguội. Sau khi được mài doa, kim loại nhôm mềm xung quanh tinh thể silic được lấy đi nhờ phương pháp điện hóa ăn mòn. Qua đó phát sinh một lớp mặt trượt chống mòn do cọ xát với piston và xéc măng, với những khoảng rỗng chứa dầu bôi trơn. Để giảm độ hao mòn piston, những piston được sử dụng thường có tráng lớp áo sắt (ferrocoat).
Phương pháp NIKASIL. Ống lót xy-lanh bằng hợp kim AlSi được mạ phủ một lớp chống mòn bằng nickel trộn lẫn tinh thể silic carbide.
Phương pháp LOKASIL. Những tinh thể silic dưới dạng phôi mẫu, còn gọi là phôi tạo hình trước, được đặt lên ống lót xy-lanh. Phôi mẫu có độ xốp cao, thành hình từ những tinh thể silic được nung kết với thủy tinh nước (thạch anh hòa tan trong nước).
Chúng tạo thành những ống rỗng và được đặt vào khuôn đúc thành xy-lanh. Với phương pháp đúc áp lực đặc biệt gọi là đúc ép, hợp kim nhôm được ép chậm với áp suất thấp từ dưới lên khuôn đúc thẳng đứng.
Trước khi được đặt lên ống lót xy-lanh, phôi mẫu phải được nung đến nhiệt độ 300 °C, qua đó hợp kim nhôm không bị nguội và cứng lại trước khi nó xâm nhập hoàn toàn vào phôi mẫu. Cuối cùng, áp suất từ 120 bar được nâng lên đến 500 bar để trám lại những lỗ hổng và loại trừ bọt khí. Được gia công bào qua nhiều đợt, những tinh thể silic được phơi trần ra, qua đó hình thành ống lót xy-lanh có tính chống mòn cao. LOKASIL- xy-lanh thường được sử dụng cùng với piston có tráng lớp áo sắt.
Phương pháp PTWA (Plasma Transferred Wire Arc): Một lớp trượt được phun bằng nhiệt plasma lên mặt hợp kim AlSi của xy-lanh. Những dây sắt-carbon của một máy phát plasma được đưa vào trong lòng xy-lanh, dưới tác động của tia hồ quang, chúng chảy thành những giọt kim loại và được phun lên thành xy-lanh nhờ luồng khí tốc độ cao. Trên mặt thành xy-lanh phát sinh một lớp tinh thể nano sắt dày khoảng 0,3 mm. Lớp này có độ rỗng khoảng 2%, có nhiệm vụ giữ dầu bôi trơn lại. Do đó ở công đoạn cuối chỉ cần gia công chính xác mặt trượt là đủ. Mặt trượt hình thành trơn như gương, có hệ số ma sát nhỏ và ít hao mòn.
