Đề tài: Nghiên cứu sự phân bố ứng suất nhiệt trên thành xylanh động cơ 4 kỳ bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Luận văn thạc sĩ năm 2011 Đề tài: Nghiên cứu sự phân bố ứng suất nhiệt trên thành xylanh động cơ 4 kỳ bằng phương pháp phần tử hữu hạn Xylanh là chi tiết không thể thiếu được trong ĐCĐT, xylanh được lắp trong khối xylanh và xung quanh được định vị bởi các gờ định vị, một đầu tiếp xúc với nắp xylanh, một đầu tự do. Xylanh cùng với piston và nắp xylanh tạo thành buồng đốt của động cơ. Trong quá trình làm việc, xylanh chịu áp suất và nhiệt độ rất lớn do hỗn hợp cháy sinh ra, gây ra ứng suất trong lòng xylanh, từ đó gây ra hư hỏng xylanh. Với đề tài “Nghiên cứu sự phân bố ứng suất nhiệt trên thành xylanh động cơ 4 kỳ bằng phương pháp phần tử hữu hạn”, chúng tôi mong muốn xác định trường nhiệt độ và ứng suất nhiệt trên thành xylanh động cơ 4 kỳ, từ đó đưa ra các khuyến cáo để có quy trình chế tạo cũng như sử dụng một cách hợp lý hơn. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ của phần mềm ANSYS, tôi đã tính toán và xác định trường nhiệt độ và ứng suất trên thành xylanh động cơ 4 kỳ D12 (loại 195S)với kết quả nhìn chung phù hợp với thực tế.Do thời gian và tài liệu có hạn, đề tài tập trung tính toán cho quá trình cháy-giãn nở khi động cơ hoạt động ổn địnhvì đây là quá trình làm việc nguy hiểm nhất của động cơ. Luận văn gồm có 6chương được cấu trúc như sau: Chương 1- Mở đầu: Nêu lên tính cấp thiết của đề tài, mục tiêu nghiêncứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp giải quyết vấn đề, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Chương 2: Trình bày tổng quan về kết cấu và ứng suất nhiệt trongxylanh động cơ 4 kỳ. Chương 3: Trình bày mô hình tính ứng suất nhiệt trong xylanh động cơ 4 kỳ. Chương 4: Trình bày cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn tính ứng suất nhiệt. Chương 5: Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn tính ứng suất xylanh động cơ D12 (loại 195S) với sự hỗ trợ của phần mềm ANSYS, so sánh với kết quả tính bằng phương pháp truyền thống. Chương 6: Kết luận: Đưa ra các kết luận rút ra từ kết quả nghiên cứu của đề tài đồng thời đưa ra các kiến nghị và hướng phát triển của đề tài. CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Ngày nay ởnước ta cũng như trên thế giới, mặc dù xuất hiện nhiều loại động cơ như động cơ phản lực, tuabin khí, nhưng ĐCĐTkiểu xilanh - piston vẫn là một thiết bị động lực chủ yếu được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực như công nghiệp, giao thông vận tải, Độ bền và tuổi thọ của động cơ phụ thuộc điều kiện làm việc (làm việc trong điều kiện sóng gió, bão tố ) và trình độ khai khác động cơnhư vận hành không đúng quy trình:thay đổi tải đột ngột, khởi động động cơ từ trạng thái nguội, chạy quá tải, không sửa chữađúng định kỳ, . Trong quá trình làm việc, những chi tiết như nắp xilanh, xilanh, piston, xécmăng luôn tiếp xúc trực tiếp với khí cháy có nhiệt độ và áp suất rất cao và thay đổi theo chu kỳ, giá trị của chúng phụ thuộc vào vòng quay, phụ tải, góc phun sớm nhiên liệu vì vậy các chi tiết này chịu ứng suất cơ –nhiệt lớn và luôn luôn thay đổi. Thực tế cho thấy nhóm chi tiết xilanh –piston –xécmăng thường bị hỏng sớm nhất trong số các chi tiết chính của động cơ như nứt xilanh, bó piston, trong lúc khởi động hoặc đang khai thác. Và những hư hỏng này thường chỉ xuất hiện tại những khu vực nhất định trên chi tiết, những khu vực này được xem là chịu tải nặng nề nhất. Điều kiện đặt ra với những người nghiên cứu là tìm ra nguyên nhân và biện pháp xử lý chúng. Vì vậy vấn đề nghiên cứu trường ứng suất nhiệt trên thành xilanh là rất cần thiết nhằm giải quyết ngày càng chính xác hơn bài toán trạng thái ứng suất và biến dạng của xilanh để tăng tuổi thọ cho động cơ. Mặc dù đã có nhiều phương pháp tính ứng suất và biến dạng của xilanh, các phương pháp này trong nhiều trường hợp không đáp ứng được các yêu cầu đặt ra về mức độ chính xác do sử dụng các mô hình tínhkhá xa với thực tế. Vì vậy tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu sự phân bố ứng suất nhiệt trên thành xylanh động cơ 4 kỳ bằng phương pháp phần tử hữu hạn”. 1.2. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU  Tình hình nghiên cứu trong nước Theo tôi được biết, hiện tại trong nướcchưa có công trình nghiên cứu về đề tài luận văn mà chỉ có một số công trình nghiên cứu các chi tiết chịu nhiệt khác của ĐCĐT như trong Luận văn thạc sỹ kỹ thuật của Trần An Xuân, với mục đích tính ứng suất và biến dạng của piston ĐCĐT bằng PP PTHH. [13]  Tình hình nghiên cứu trên thế giới Hiện nay trên thế giới có rất ít công trình nghiên cứu tính ứng suất nhiệt trên thành xylanh của ĐCĐT, như nghiên cứu của K. S. Lee and D. N. Assanis, được tiến hành trên đối tượng là xylanh được chế tạo bằng vật liệu thạch anh và tính toán ở hai chế độ hoạt động của động cơ (chế độ ổn định và chế độ tức thời) để tìm ra điều kiện biên tối ưu. Tác giả ứng dụng PP PTHH để xác định phân bố nhiệt độ và ứng suất. Kết quả nghiên cứu này đã được đối chiếu với kết quả đo đạt và các số liệu được nghiên cứu trước đó. Theo nghiên cứu này, để giảm giá trị ứng suất, có 3 cách thức làm mát cho xylanh: đối lưu tự nhiên, đối lưu cưỡng bức mức độ bình thường và đối lưu cưỡng bức mạnh. Lực ma sát, áp suất buồng đốt được xét đến khi tính ứng suất cơ. Chiều dày thành xylanh được thay đổi để tìm ra chiều dày tối ưu. Theo kết quả nghiên cứu, giá trị lớn nhất đạt tại mép trong xylanh tiếp giáp với nắp quy lát, l àm mát bên ngoài xylanh bằng đối lưu cưỡng bức là phương pháp rất hiệu quả để giảm ứng suất nhiệt lớn nhất trên thành xylanh. Tuy nhiên, nhiệt độ lớn nhất gần bằng nhiệt độ cho phép của thạch anh. Mặt khác, xylanh thạch anh được làm mát bằng đối lưu cưỡng bức mạnh có thể hoạt động với hệ số an toàn khoảng 2.7. [14] Ngoài ra có rất nhiều côngtrình nghiên cứu các chi tiết chịu nhiệt khác của động cơ như: -Nghiên cứu của Pramote Dechaumphai và Wiroj Lim thuộc Đại học Chulalongkorn (Thái Lan): Tính ứng suất nhiệt của piston ĐCĐT bằng PP PTHH.[15] -Nghiên cứu của R. Tichánek, M. Španiel, M. Diviš: Phân tích ứng suất kết cấu đầu xylanh động cơ C/28, bài toán được tính bằng PP PTHH với sự hỗ trợ của phần mềm ABAQUS.[16] -Nghiên cứu của Miroslav Španiel, Radek Tichánek: tác giả sử dụng PP PTHH để phân tích ứng suất cơ và nhiệt ở chế độ nhiệt ổn định của động cơ diesel hoạt động ở Mecca.[17] 1.3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Tìm hiểu cơ sở lý thuyết tính toán phân bố ứng suất nhiệt trong kết cấu chịu tải nhiệt nói chung và kết cấu xylanh động cơ 4 kỳ nói riêng theo phương pháp phần tử hữu hạn. - Nghiên cứu sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn (sử dụng cho mục đích chung) để xác định sự phân bố nhiệt độ và ứng suất trong kết cấu xylanh động cơ 4 kỳ. - Đưa ra một số đề xuất cho nhà chế tạo động cơ và người sử dụng. 1.4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đề tài đượcnghiên cứu trên xylanh động cơ 4 kỳ. Thực tế trong quá trình làm việc động cơ hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau: chế độ khởi động, chế độ hoạt động ổn định, chế độ ngừng đột ngột động cơ, chế độ thay đổi tải, chế độ quá tải. Trong đó chế độ hoạt động ổn định chiếm nhiều thời gian l àm việc nhất của động cơ. Trong các quá trình hoạt động của động cơ (nạp, nén, cháy -giãn nở, xả) thì quá trình cháy -giãn nở gây ra hư hỏng lớn nhất cho động cơ, đây là quá trình làm việc nguy hiểm nhất. Do thời gian có hạn nên trong đề tài này tôi chỉ nghiên cứu quá trình cháy -giãn nở trong trường hợp động cơ hoạt động ở chế độ ổn định. 1.5. PHƯƠNGPHÁP NGHIÊN CỨU Từ các thông số kỹ thuật và kết cấu của động cơ 4 kỳ, tính toán các quá trình nhiệt động, vẽ các đồ thị nhiệtđộ và áp suất của chu trình công tác của động cơ, từ đó tính nhiệt độ trung bình của hỗn hợp khí tại các vị trí được chọn thông qua các đồ thị nhiệt độ của hỗn hợp khí tại vị trí xét. Áp dụng công thức Haizenbek tính hệ số trao đổi nhiệt từ khí đến vách xylanh tại các vị trí được chọn tính trong từng thời điểm khác nhau và tính hệ số trao đổi nhiệt giữa vách xylanh với nước làm mát. Sau khi tính toán đầy đủ các thông số đầu vào, ta xây dựng mô hình tính trên cơ sở áp dụng PPPTHH (sử dụng phần mềm ANSYS) đểxác định trường nhiệt độ và ứng suất nhiệt trên thành xylanh. 1.6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI  Ý nghĩa khoa học - Hoàn thiện phương pháp tính cho bài toán xác định trường nhiệt độ, ứng suất nhiệt và biến dạng nhiệt của xylanh động cơ 4 kỳ nói riêng và ĐCĐT nói chung. - Tạo tiền đề ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn giải quyết các bài toán tính ứng suất và biến dạng của các chi tiết chịu nhiệt của ĐCĐT.  Ý nghĩa thực tiễn - Xác định chính xác hơn phân bố nhiệt độ và ứng suất nhiệt trên thành xylanh động cơ D12 (loại 195S), từ đó đưa ra các khuyến cáo đến nhà chế tạo và người sử dụng. - Các kết quả tính toán mô phỏng mang tính trực quan sinh cung cấp t ư liệu cho giảng dạy chuyên ngành ĐCĐT. CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU VÀ ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG XYLANH ĐỘNG CƠ 4 KỲ 2.1. KẾT CẤU VÀ VẬT LIỆU CỦA XYLANH ĐỘNG CƠ 4 KỲ Lót xylanh là chi tiết tròn xoay được lắp trong lòng khối xylanh của động cơ và tiếp xúc với khối xylanh và nắp xylanh. Do đó ứng suất nhiệt sinh ra ở lót xylanh cũng phần nào chịu ảnh hưởng của kết cấu cũng như vật liệu của khối xylanh và nắp xylanh. Nên ngoài việc nghiên cứu cấu trúc và vật liệu của lót xylanh thì ta cũng phải xét đến cấu trúc và vật liệu của khối xylanh và nắp xylanh. 2.1.1. Lót xylanh Lót xylanh là một chi tiết máy có dạng ống, được lắp vào thân máy nhằm mục đích kéo dài tuổi thọ của thân máy. Kết cấu của thân máy phụ thuộc rất nhiều v ào kiểu lót xylanh. Trong quá trình làm việc lót xylanh chịu tác dụng của tải trọng cơ, nhiệt lớn và bị mài mòn. Lót xylanh cũng cần phải đảm bảo khả năng giãn nở nhiệt theo hướng trục cũng như theo hướng kính. Dựa vào kết cấu của xylanh người ta chia xylanh thành các loại sau: ã Lót xylanh khô:Là loại ống lót lắp vào trong lỗ xylanh, mặt ngoài của ống lót tiếp xúc với mặt lỗ xylanh, không tiếp xúc với nước làm mát (hình 2.1a): Lót xylanh khô có thể lắp trên suốt chiều dài xylanh nhưng cũng có thể chỉ đóng lót ngắn ở đoạn gần ĐCT, chỗ bị mòn nhiều nhất. Từ đặc điểm lắp ghép trên, lót xylanh khô có độ cứng vững lớn, nên có thể làm mỏng và do đó tốn ít vật liệu quý; lót xylanh khô không tiếp xúc với nước làm mát do đó không sợ rò rỉ nước và lọt khí. ã Lót xylanh ướt:Đây là loại được dùng phổ biến hiện nay. Lót được lắp vào vỏ thân, mặt ngoài của lót xylanh tiếp xúc với nước làm mát (hình 2.1b). Khi thiết kế lót xylanh ướt cần phải xét đến các vấn đề sau:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Tàu Thủy

Mã số: 60.52.32

GV hướng dẫn: TS Quách Hoài Nam

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Ngày tháng… năm 2011

Tác giả luận văn

Ngô Trọng Lượng

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ LỜI NÓI ĐẦU

Chương 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 2

1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 3

1.4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

1.6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 4

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU VÀ ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG XYLANH ĐỘNG CƠ 4 KỲ 5

2.1 KẾT CẤU VÀ VẬT LIỆU CỦA XYLANH ĐỘNG CƠ 4 KỲ 5

2.1.1 Lót xylanh 5

2.1.2 Nắp xylanh 10

2.1.3 Khối xylanh 11

2.2 ỨNG SUẤT NHIỆT XYLANH ĐỘNG CƠ 4 KỲ 12

2.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ỨNG SUẤT NHIỆT CỦA XYLANH 13

2.3.1 Ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu 13

2.3.2 Ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng 14

2.4 ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG ĐỘNG CƠ Ở CÁC CHẾ ĐỘ CHUYỂN TIẾP 16

2.4.1 Chế độ khởi động 16

2.4.2 Chế độ ngừng đột ngột động cơ 16

2.4.3 Chế độ thay đổi tải 17

Chương 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG XYLANH ĐỘNG CƠ 4KỲ 18

3.1 MÔ HÌNH KẾT CẤU 18

3.1.1 Nguyên tắc mô hình hóa 18

3.1.2 Các giả thiết 19

3.1.3 Điều kiện biên 19

3.2 CHU TRÌNH NHIỆT THỰC TẾ CỦA ĐỘNG CƠ 4 KỲ 21

3.2.1 Chu trình nhiệt thực tế của động cơ 4 kỳ 21

3.2.2 Nhiệt độ và áp suất trong chu trình nhiệt thực tế của động cơ 4 kỳ 22

3.2.3 Xây dựng đồ thị T-ϕ và tính nhiệt độ trung bình của khí tại điểm bất kỳ trên thành xylanh của động cơ 4 kỳ 27

3.2.4 Sự phân bố nhiệt độ theo chiều dày thành xylanh động cơ 4 kỳ 27

3.3 TRAO ĐỔI NHIỆT TỪ KHÍ CHÁY ĐẾN NƯỚC LÀM MÁT 29

3.3.1 Trao đổi nhiệt giữa khí cháy với vách trong của xylanh 29

3.3.2 Trao đổi nhiệt giữa vách ngoài của xylanh với nước làm mát 30

Chương 4: CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TÍNH ỨNG SUẤT NHIỆT 34

4.1 BÀI TOÁN DẪN NHIỆT HAI CHIỀU 34

4.1.1 Phương trình vi phân quá trình dẫn nhiệt hai chiều 34

4.1.2 Điều kiện biên 35

4.1.3 Phần tử tam giác 35

4.1.4 Xây dựng phiếm hàm 37

4.2 PHẦN MỀM ANSYS TRONG TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT NHIỆT 41

4.2.1 Tính ứng suất nhiệt theo ANSYS 41

4.2.2 Chọn kiểu phần tử 45

Chương 5: KẾT QUẢ ÁP DỤNG VÀ THẢO LUẬN 49

5.1 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ D12 49

5.1.1 Kết cấu động cơ D12 49

5.1.2 Thông số kỹ thuật động cơ D 50

5.2.TÍNH CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ D12 51

5.3 NHIỆT ĐỘ TRUNG BÌNH CỦA HỖN HỢP KHÍ TẠI VỊ TRÍ XÉT 53

5.3.1 Xét vị trí của piston tại các điểm xét 53

5.3.2 Đồ thị T – φ tại các vị trí xét 53

5.3.3 Nhiệt độ trung bình hỗn hợp khí tại các điểm xét 57

5.4.TÍNH HỆ SỐ TRAO ĐỔI NHIỆT 57

5.4.1 Tính hệ số trao đổi nhiệt từ khí đến vách xylanh 57

5.4.2 Tính hệ số trao đổi nhiệt giữa ống lót xylanh với nước làm mát 59

5.5 KẾT QUẢ TÍNH ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG XYLANH ĐỘNG CƠ D12 THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 60

5.6 KẾT QUẢ TÍNH ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG XYLANH ĐỘNG CƠ D12 THEO PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG 68

5.7 THẢO LUẬN 89

KẾT LUẬN 91 PHỤ LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Xylanh là chi tiết không thể thiếu được trong ĐCĐT, xylanh được lắp trongkhối xylanh và xung quanh được định vị bởi các gờ định vị, một đầu tiếp xúc với nắpxylanh, một đầu tự do Xylanh cùng với piston và nắp xylanh tạo thành buồng đốt của

động cơ Trong quá trình làm việc, xylanh chịu áp suất và nhiệt độ rất lớn do hỗn hợp

cháy sinh ra, gây ra ứng suất trong lòng xylanh, từ đó gây ra hư hỏng xylanh Với đề

tài “Nghiên cứu sự phân bố ứng suất nhiệt trên thành xylanh động cơ 4 kỳ bằng phương pháp phần tử hữu hạn”, chúng tôi mong muốn xác định trường nhiệt độ và

ứng suất nhiệt trên thành xylanh động cơ 4 kỳ, từ đó đưa ra các khuyến cáo để có quy

trình chế tạo cũng như sử dụng một cách hợp lý hơn

Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ của phần mềm ANSYS,tôi đã tính toán và xác định trường nhiệt độ và ứng suất trên thành xylanh động cơ 4 kỳD12 (loại 195S) với kết quả nhìn chung phù hợp với thực tế Do thời gian và tài liệu cóhạn, đề tài tập trung tính toán cho quá trình cháy-giãn nở khi động cơ hoạt động ổn

định vì đây là quá trình làm việc nguy hiểm nhất của động cơ

Luận văn gồm có 6 chương được cấu trúc như sau:

Chương 1- Mở đầu: Nêu lên tính cấp thiết của đề tài, mục tiêu nghiên cứu, đối

tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp giải quyết vấn đề, ý nghĩa khoa học và

thực tiễn của đề tài

Chương 2: Trình bày tổng quan về kết cấu và ứng suất nhiệt trong xylanh động

cơ 4 kỳ

Chương 3: Trình bày mô hình tính ứng suất nhiệt trong xylanh động cơ 4 kỳ.

Chương 4: Trình bày cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn tính ứng suất nhiệt.

Chương 5: Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn tính ứng suất xylanh động

cơ D12 (loại 195S) với sự hỗ trợ của phần mềm ANSYS, so sánh với kết quả tính bằngphương pháp truyền thống

Chương 6: Kết luận: Đưa ra các kết luận rút ra từ kết quả nghiên cứu của đề tài

đồng thời đưa ra các kiến nghị và hướng phát triển của đề tài

Qua đây tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến:

Ban giám hiệu, ban chủ nhiệm khoa Kỹ Thuật Tàu Thủy trường Đại học Nha

Trang đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường

Ban giám hiệu trường Cao Đẳng Nghề Phú Yên đã tạo điều kiện cho tôi đượctham gia khóa học này

Sự biết ơn sâu sắc nhất tôi xin được giành cho thầy: TS.Quách Hoài Nam đã tậntình hướng dẫn, động viên tôi hoàn thành đề tài này

Xin cảm ơn: Thầy PGS.TS.Quách Đình Liên, Thầy ThS.Mai Sơn Hải - Trưởng

bộ môn Kỹ thuật tàu thủy đã cho tôi những lời khuyên quí báu để công trình nghiêncứu được hoàn thành có chất lượng

Đặc biệt xin được ghi nhớ tình cảm, sự giúp đỡ của: quí thầy cô giáo trong khoa

Kỹ Thuật Tàu Thủy trường Đại học Nha Trang, gia đình và bạn bè luôn động viên,chia sẻ với tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!

Nha Trang, ngày…… tháng……năm 2011

Học viên

Ngô Trọng Lượng

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ ĐƯỢC VIẾT TẮT

1 Cm Tốc độ trung bình của piston

4 ge Suất tiêu hao nhiên liệu

5 l Chiều dài thanh truyền

6 lt Chiều dài mặt trụ xylanh tiếp xúc nước làm mát

7 n Tốc độ quay định mức

8 n1 Chỉ số nén đa biến trung bình

9 n2 Chỉ số dãn nở đa biến trung bình

10 Ne Công suất động cơ

11 P Trọng lượng máy

12 Pa Áp suất cuối quá trình nạp

13 Pb Áp suất cuối quá trình giãn nở

14 Pc Áp suất cuối quá trình nén

15 Pf Áp suất phun nhiên liệu

16 Pe Áp suất có ích trung bình

17 Po Áp suất khí quyển

18 Pr Áp suất khí sót

19 Pz Áp suất cháy cực đại

20 Qh Nhiệt trị thấp của nhiên liệu dầu diesel

21 r Bán kính quay của trục khuỷu

22 S Hành trình pittông

23 SĐCT Khoảng cách từ nắp xylanh đến ĐCT

24 SZ Khoảng cách từ nắp xylanh đến điểm Z

25 Ta Nhiệt độ cuối quá trình nạp

26 Tb Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở

27 Tc Nhiệt độ cuối quá trình nén

28 TK Nhiệt độ khí nạp

29 Tn Nhiệt độ nước làm mát

30 T0 Nhiệt độ khí quyển

31 Tr Nhiệt độ khí sót

32 Tz Nhiệt độ cuối quá trình đẳng áp

33 Vs Thể tích công tác của xylanh

34 Vc Thể tích buồng đốt

35 Va Thể tích toàn bộ của piston

36 Vz Thể tích khi piston ở vị trí mà áp suất lớn nhất

46 ρ Tỷ số giãn nở khi cháy

47 δ Hệ số giãn nở trong quá trình giãn nở

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Các đặc trưng của vật liệu chế tạo các chi tiết chịu nhiệt động cơ 12

Bảng 3.1: Bảng giá trị áp suất và nhiệt độ trên đường cong nén 23

Bảng 3.2: Bảng giá trị áp suất và nhiệt độ trên đường cong giãn nở 24

Bảng 3.3 Chuyển vị của piston theo gqtk (từ ĐCT) 25

Bảng 4.1: Các kiểu phần tử nhiệt thông dụng trong ANSYS 43

Bảng 5.1: Đặc tính kỹ thuật động cơ D12 50

Bảng 5.2: Thông số kỹ thuật được chọn thêm 50

Bảng 5.3: Kết quả tính chu trình nhiệt động của D12 51

Bảng 5.4: Tọa độ các điểm xét 53

Bảng 5.5: Giá trị góc quay trục khuỷu khi đỉnh piston tại các điểm xét 53

Bảng 5.6: Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp khí tại các điểm xét 57

Bảng 5.7: Tínhαmc tại các vi trí A, B, C, D, E khi đỉnh piston lần lượt chuyển động đến các điểm xét trong quá trình cháy - giãn nở 58

Bảng 5.8: Các đặc trưng vật liệu 60

Bảng 5.9: Kết quả tính ứng suất xylanh bằng PP PTHH 67

Bảng 5.10: Kết quả tính ứng suất xylanh bằng PPTT 70

Bảng 5.11: So sánh giá trị ứng suất tính theo PPPTHH và PPTT tại từng vị trí của đỉnh piston trong quá trình cháy - giãn nở 71

Bảng 5.12: So sánh giá trị ứng suất tính theo PPPTHH và PPTT tại cùng một vị trí trong toàn quá trình cháy-giãn nở 73

Bảng 5.13: So sánh giữa ƯSC (σc) và ƯSN (σt) trong quá trình cháy–giãn nở (tính theo PPPTHH) 75

Phụ Lục

Bảng 1: Áp suất và nhiệt độ trên đường cong nén Bảng 2: Áp suất và nhiệt độ trên đường cong giãn nở Bảng 3: Chuyển vị của piston theo góc quay trục khuỷu

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Tên hình vẽ, đồ thị Trang

Hình 2.1: Các loại lót xylanh 6

Hình 2.2: Vị trí vai tựa của lót xylanh ướt 7

Hình 2.3: Các biện pháp tránh lọt khí xuống cacte 7

Hình 2.4: Các loại lót xylanh liền với nắp 8

Hình 2.5: Nắp xylanh 10

Hình 2.6: Bộ khung động cơ 11

Hình 2.7: Sơ đồ truyền nhiệt qua vách 14

Hình 2.8: Sơ đồ truyền nhiệt qua vách có chiều dày khác nhau khi cùng điều kiện truyền nhiệt (αn) 14

Hình 2.9: Sơ đồ truyền nhiệt qua vách khi tồn tại lớp cáu cặn về phía làm mát 15

Hình 3.1.a Kết cấu thành xylanh ướt 20

b Mô hình tính thành xylanh ướt 20

Hình 3.2.a Kết cấu thành xylanh ướt 20

b Mô hình tính thành xylanh ướt 20

Hình 3.3: Đồ thị công triển khai theo P-φ 26

Hình 3.4: Đồ thị triển khai theo T-φ 26

Hình 3.5: Sự phân lớp do biến đổi nhiệt trên thành xylanh 28

Hình 3.6: Sự phụ thuộc nhiệt độ bề mặt làm mát và HSTĐN vào nhiệt độ nước làm mát 31

Hình 4.1.a Mô hình bài toán dẫn nhiệt hai chiều 34

b Phân tố thể tích dẫn nhiệt 34

Hình 4.2 Các điều kiện biên của bài toán dẫn nhiệt hai chiều 35

Hình 4.3 Phần tử tam giác bậc nhất trong bài toán dẫn nhiệt 2 chiều 36

Hình 4.4 Điều kiện biên dẫn trên cạnh 2-3 của phần tử tam giác 39

Hình 4.5: Sơ đồ phân tích theo phương pháp nối tiếp 42

Hình 4.6: Sơ đồ phân tích theo phương pháp trực tiếp 45

Hình 4.7: Phần tử PLANE77 45

Hình 4.8: Phần tử PLANE82 47

Hình 5.1: Kết cấu động cơ D12 (mặt cắt ngang) 49

Hình 5.2: Đồ thị công triển khai P-φ của động cơ D12 52

Hình 5.3: Đồ thị công triển khai T-φ của động cơ D12 52

Hình 5.4: Nhiệt độ của hỗn hợp khí tại điểm A trên thành xilanh theo gqtk 54

Hình 5.5: Nhiệt độ của hỗn hợp khí tại điểm B trên thành xilanh theo gqtk 55

Hình 5.6: Nhiệt độ của hỗn hợp khí tại điểm C trên thành xylanh theo gqtk 55

Hình 5.7: Nhiệt độ của hỗn hợp khí tại điểm D trên thành xylanh theo gqtk 56

Hình 5.8: Nhiệt độ của hỗn hợp khí tại điểm E trên thành xylanh theo gqtk 56

Hình 5.9: Phân bố nhiệt độ trung bình của hỗn hợp khí dọc theo thành xylanh 57

Hình 5.10: Lưới của mô hình PTHH 61

Hình 5.11: Trường nhiệt độ khi đỉnh piston tại A 61

Hình 5.12: Vectơ chỉ chiều gradient và dòng nhiệt khi đỉnh piston tại A 62

Hình 5.13: Trường ƯSN khi đỉnh piston tại A 62

Hình 5.14: Trường ƯSC khi đỉnh piston tại A 63

Hình 5.15: Trường ƯST khi đỉnh piston tại A 63

Hình 5.16: Phương pháp xác định∆t tại A trong quá trình cháy - giãn nở 69

Hình 5.17: Đồ thị ƯSN mặt trong khi đỉnh piston tại A kỳ cháy 76

Hình 5.18: Đồ thị ƯST mặt trong khi đỉnh piston tại A kỳ cháy 76

Hình 5.19: Đồ thị ƯSN mặt ngoài khi đỉnh piston tại A kỳ cháy 76

Hình 5.20: Đồ thị ƯST mặt ngoài khi đỉnh piston tại A kỳ cháy 76

Hình 5.21: Đồ thị ƯSN mặt trong khi đỉnh piston tại B kỳ cháy 77

Hình 5.22: Đồ thị ƯST mặt trong khi đỉnh piston tại B kỳ cháy 77

Hình 5.23: Đồ thị ƯSN mặt ngoài khi đỉnh piston tại B kỳ cháy 77

Hình 5.24: Đồ thị ƯST mặt ngoài khi đỉnh piston tại B kỳ cháy 77

Hình 5.25: Đồ thị ƯSN mặt trong khi đỉnh piston tại C kỳ cháy 78

Hình 5.26: Đồ thị ƯST mặt trong khi đỉnh piston tại C kỳ cháy 78

Hình 5.27: Đồ thị ƯSN mặt ngoài khi đỉnh piston tại C kỳ cháy 78

Hình 5.28: Đồ thị ƯST mặt ngoài khi đỉnh piston tại C kỳ cháy 78

Hình 5.29: Đồ thị ƯSN mặt trong khi đỉnh piston tại D kỳ cháy 79

Hình 5.30: Đồ thị ƯST mặt trong khi đỉnh piston tại D kỳ cháy 79

Hình 5.31: Đồ thị ƯSN mặt ngoài khi đỉnh piston tại D kỳ cháy 79

Hình 5.32: Đồ thị ƯST mặt ngoài khi đỉnh piston tại D kỳ cháy 79

Hình 5.33: Đồ thị ƯSN mặt trong khi đỉnh piston tại E kỳ cháy 80

Hình 5.34: Đồ thị ƯST mặt trong khi đỉnh piston tại E kỳ cháy 80

Hình 5.35: Đồ thị ƯSN mặt ngoài khi đỉnh piston tại E kỳ cháy 80

Hình 5.36: Đồ thị ƯST mặt ngoài khi đỉnh piston tại E kỳ cháy 80

Hình 5.37: Đồ thị ƯSN mặt trong tại A kỳ cháy 81

Hình 5.38: Đồ thị ƯSN mặt trong tại A kỳ cháy 81

Hình 5.39: Đồ thị ƯSN mặt ngoài tại A kỳ cháy 81

Hình 5.40: Đồ thị ƯSN mặt ngoài tại A kỳ cháy 81

Hình 5.41: Đồ thị ƯSN mặt trong tại B kỳ cháy 82

Hình 5.42: Đồ thị ƯSN mặt trong tại B kỳ cháy 82

Hình 5.43: Đồ thị ƯSN mặt ngoài tại B kỳ cháy 82

Hình 5.44: Đồ thị ƯSN mặt ngoài tại B kỳ cháy 82

Hình 5.45: Đồ thị ƯSN mặt trong tại C kỳ cháy 83

Hình 5.46: Đồ thị ƯSN mặt trong tại C kỳ cháy 83

Hình 5.47: Đồ thị ƯSN mặt ngoài tại C kỳ cháy 83

Hình 5.48: Đồ thị ƯSN mặt ngoài tại C kỳ cháy 83

Hình 5.49: Đồ thị ƯSN mặt trong tại D kỳ cháy 84

Hình 5.50: Đồ thị ƯSN mặt trong tại D kỳ cháy 84

Hình 5.51: Đồ thị ƯSN mặt ngoài tại D kỳ cháy 84

Hình 5.52: Đồ thị ƯSN mặt ngoài tại D kỳ cháy 84

Hình 5.53: Đồ thị ƯSN mặt trong tại E kỳ cháy 85

Hình 5.54: Đồ thị ƯSN mặt trong tại E kỳ cháy 85

Hình 5.55: Đồ thị ƯSN mặt ngoài tại E kỳ cháy 85

Hình 5.56: Đồ thị ƯSN mặt ngoài tại E kỳ cháy 85

Hình 5.57: Đồ thị ƯSN và ƯSC mặt trong khi đỉnh psston tại A kỳ cháy 86

Hình 5.58: Đồ thị ƯSN và ƯSC mặt ngoài khi đỉnh psston tại A kỳ cháy 86

Hình 5.59: Đồ thị ƯSN và ƯSC mặt trong khi đỉnh psston tại B kỳ cháy 87

Hình 5.60: Đồ thị ƯSN và ƯSC mặt ngoài khi đỉnh psston tại B kỳ cháy 87

Hình 5.61: Đồ thị ƯSN và ƯSC mặt trong khi đỉnh psston tại C kỳ cháy 87

Hình 5.62: Đồ thị ƯSN và ƯSC mặt ngoài khi đỉnh psston tại C kỳ cháy 87

Hình 5.63: Đồ thị ƯSN và ƯSC mặt trong khi đỉnh psston tại D kỳ cháy 89

Hình 5.64: Đồ thị ƯSN và ƯSC mặt ngoài khi đỉnh psston tại D kỳ cháy 88

Hình 5.65: Đồ thị ƯSN và ƯSC mặt trong khi đỉnh psston tại E kỳ cháy 88

Hình 5.66: Đồ thị ƯSN và ƯSC mặt ngoài khi đỉnh psston tại E kỳ cháy 88

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Ngày nay ở nước ta cũng như trên thế giới, mặc dù xuất hiện nhiều loại động cơ

như động cơ phản lực, tuabin khí,… nhưng ĐCĐT kiểu xilanh - piston vẫn là một thiết

bị động lực chủ yếu được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực như công nghiệp, giaothông vận tải,…

Độ bền và tuổi thọ của động cơ phụ thuộc điều kiện làm việc (làm việc trongđiều kiện sóng gió, bão tố …) và trình độ khai khác động cơ như vận hành không đúng

quy trình: thay đổi tải đột ngột, khởi động động cơ từ trạng thái nguội, chạy quá tải,không sửa chữa đúng định kỳ,…

Trong quá trình làm việc, những chi tiết như nắp xilanh, xilanh, piston,

xécmăng luôn tiếp xúc trực tiếp với khí cháy có nhiệt độ và áp suất rất cao và thay đổi

theo chu kỳ, giá trị của chúng phụ thuộc vào vòng quay, phụ tải, góc phun sớm nhiênliệu… vì vậy các chi tiết này chịu ứng suất cơ – nhiệt lớn và luôn luôn thay đổi Thực

tế cho thấy nhóm chi tiết xilanh – piston – xécmăng thường bị hỏng sớm nhất trong sốcác chi tiết chính của động cơ như nứt xilanh, bó piston,… trong lúc khởi động hoặc

đang khai thác Và những hư hỏng này thường chỉ xuất hiện tại những khu vực nhấtđịnh trên chi tiết, những khu vực này được xem là chịu tải nặng nề nhất Điều kiện đặt

ra với những người nghiên cứu là tìm ra nguyên nhân và biện pháp xử lý chúng

Vì vậy vấn đề nghiên cứu trường ứng suất nhiệt trên thành xilanh là rất cần thiếtnhằm giải quyết ngày càng chính xác hơn bài toán trạng thái ứng suất và biến dạng của

xilanh để tăng tuổi thọ cho động cơ

Mặc dù đã có nhiều phương pháp tính ứng suất và biến dạng của xilanh, các

phương pháp này trong nhiều trường hợp không đáp ứng được các yêu cầu đặt ra về

mức độ chính xác do sử dụng các mô hình tính khá xa với thực tế Vì vậy tôi chọn đề

tài: “Nghiên cứu sự phân bố ứng suất nhiệt trên thành xylanh động cơ 4 kỳ bằng

phương pháp phần tử hữu hạn”.

1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

 Tình hình nghiên cứu trong nước

Theo tôi được biết, hiện tại trong nước chưa có công trình nghiên cứu về đề tài

luận văn mà chỉ có một số công trình nghiên cứu các chi tiết chịu nhiệt khác của

ĐCĐT như trong Luận văn thạc sỹ kỹ thuật của Trần An Xuân, với mục đích tính ứng

suất và biến dạng của piston ĐCĐT bằng PP PTHH [13]

 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Hiện nay trên thế giới có rất ít công trình nghiên cứu tính ứng suất nhiệt trênthành xylanh của ĐCĐT, như nghiên cứu của K S Lee and D N Assanis, được tiến

hành trên đối tượng là xylanh được chế tạo bằng vật liệu thạch anh và tính toán ở hai

chế độ hoạt động của động cơ (chế độ ổn định và chế độ tức thời) để tìm ra điều kiệnbiên tối ưu Tác giả ứng dụng PP PTHH để xác định phân bố nhiệt độ và ứng suất Kếtquả nghiên cứu này đã được đối chiếu với kết quả đo đạt và các số liệu được nghiêncứu trước đó Theo nghiên cứu này, để giảm giá trị ứng suất, có 3 cách thức làm mát

cho xylanh: đối lưu tự nhiên, đối lưu cưỡng bức mức độ bình thường và đối lưu cưỡng

bức mạnh Lực ma sát, áp suất buồng đốt được xét đến khi tính ứng suất cơ Chiều dày

thành xylanh được thay đổi để tìm ra chiều dày tối ưu Theo kết quả nghiên cứu, giá trị

lớn nhất đạt tại mép trong xylanh tiếp giáp với nắp quy lát, làm mát bên ngoài xylanhbằng đối lưu cưỡng bức là phương pháp rất hiệu quả để giảm ứng suất nhiệt lớn nhấttrên thành xylanh Tuy nhiên, nhiệt độ lớn nhất gần bằng nhiệt độ cho phép của thạchanh Mặt khác, xylanh thạch anh được làm mát bằng đối lưu cưỡng bức mạnh có thểhoạt động với hệ số an toàn khoảng 2.7 [14]

Ngoài ra có rất nhiều công trình nghiên cứu các chi tiết chịu nhiệt khác của

động cơ như:

- Nghiên cứu của Pramote Dechaumphai và Wiroj Lim thuộc Đại họcChulalongkorn (Thái Lan): Tính ứng suất nhiệt của piston ĐCĐT bằng PP PTHH [15]

- Nghiên cứu của R Tichánek, M Španiel, M Diviš: Phân tích ứng suất kết cấu

đầu xylanh động cơ C/28, bài toán được tính bằng PP PTHH với sự hỗ trợ của phần

mềm ABAQUS [16]

- Nghiên cứu của Miroslav Španiel, Radek Tichánek: tác giả sử dụng PP PTHH

để phân tích ứng suất cơ và nhiệt ở chế độ nhiệt ổn định của động cơ diesel hoạt động

ở Mecca [17]

1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết tính toán phân bố ứng suất nhiệt trong kết cấu chịu tảinhiệt nói chung và kết cấu xylanh động cơ 4 kỳ nói riêng theo phương pháp phần tửhữu hạn

- Nghiên cứu sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn (sử dụng cho mục đích chung)

để xác định sự phân bố nhiệt độ và ứng suất trong kết cấu xylanh động cơ 4 kỳ

- Đưa ra một số đề xuất cho nhà chế tạo động cơ và người sử dụng

1.4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đề tài được nghiên cứu trên xylanh động cơ 4 kỳ Thực tế trong quá trình làm

việc động cơ hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau: chế độ khởi động, chế độ hoạt động

ổn định, chế độ ngừng đột ngột động cơ, chế độ thay đổi tải, chế độ quá tải Trong đó

chế độ hoạt động ổn định chiếm nhiều thời gian làm việc nhất của động cơ Trong cácquá trình hoạt động của động cơ (nạp, nén, cháy - giãn nở, xả) thì quá trình cháy - giãn

nở gây ra hư hỏng lớn nhất cho động cơ, đây là quá trình làm việc nguy hiểm nhất Dothời gian có hạn nên trong đề tài này tôi chỉ nghiên cứu quá trình cháy - giãn nở trong

trường hợp động cơ hoạt động ở chế độ ổn định

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Từ các thông số kỹ thuật và kết cấu của động cơ 4 kỳ, tính toán các quá trìnhnhiệt động, vẽ các đồ thị nhiệt độ và áp suất của chu trình công tác của động cơ, từ đótính nhiệt độ trung bình của hỗn hợp khí tại các vị trí được chọn thông qua các đồ thịnhiệt độ của hỗn hợp khí tại vị trí xét Áp dụng công thức Haizenbek tính hệ số trao

đổi nhiệt từ khí đến vách xylanh tại các vị trí được chọn tính trong từng thời điểm khác

nhau và tính hệ số trao đổi nhiệt giữa vách xylanh với nước làm mát Sau khi tính toán

đầy đủ các thông số đầu vào, ta xây dựng mô hình tính trên cơ sở áp dụng PPPTHH

(sử dụng phần mềm ANSYS) để xác định trường nhiệt độ và ứng suất nhiệt trên thànhxylanh.

1.6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

 Ý nghĩa khoa học

- Hoàn thiện phương pháp tính cho bài toán xác định trường nhiệt độ, ứng suấtnhiệt và biến dạng nhiệt của xylanh động cơ 4 kỳ nói riêng và ĐCĐT nói chung

- Tạo tiền đề ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn giải quyết các bài toán tính

ứng suất và biến dạng của các chi tiết chịu nhiệt của ĐCĐT

CHƯƠNG 2TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU VÀ ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG

XYLANH ĐỘNG CƠ 4 KỲ

2.1 KẾT CẤU VÀ VẬT LIỆU CỦA XYLANH ĐỘNG CƠ 4 KỲ

Lót xylanh là chi tiết tròn xoay được lắp trong lòng khối xylanh của động cơ vàtiếp xúc với khối xylanh và nắp xylanh Do đó ứng suất nhiệt sinh ra ở lót xylanh cũngphần nào chịu ảnh hưởng của kết cấu cũng như vật liệu của khối xylanh và nắp xylanh

Nên ngoài việc nghiên cứu cấu trúc và vật liệu của lót xylanh thì ta cũng phải xét đếncấu trúc và vật liệu của khối xylanh và nắp xylanh

2.1.1 Lót xylanh

Lót xylanh là một chi tiết máy có dạng ống, được lắp vào thân máy nhằm mục

đích kéo dài tuổi thọ của thân máy Kết cấu của thân máy phụ thuộc rất nhiều vào kiểu

lót xylanh Trong quá trình làm việc lót xylanh chịu tác dụng của tải trọng cơ, nhiệtlớn và bị mài mòn Lót xylanh cũng cần phải đảm bảo khả năng giãn nở nhiệt theo

hướng trục cũng như theo hướng kính

Dựa vào kết cấu của xylanh người ta chia xylanh thành các loại sau:

tiếp xúc với mặt lỗ xylanh, không tiếp xúc với nước làm mát (hình 2.1a): Lót xylanh

khô có thể lắp trên suốt chiều dài xylanh nhưng cũng có thể chỉ đóng lót ngắn ở đoạngần ĐCT, chỗ bị mòn nhiều nhất

Từ đặc điểm lắp ghép trên, lót xylanh khô có độ cứng vững lớn, nên có thể làmmỏng và do đó tốn ít vật liệu quý; lót xylanh khô không tiếp xúc với nước làm mát do

đó không sợ rò rỉ nước và lọt khí

• Lót xylanh ướt: Đây là loại được dùng phổ biến hiện nay Lót được lắp vào vỏ

thân, mặt ngoài của lót xylanh tiếp xúc với nước làm mát (hình 2.1b) Khi thiết kế lót

xylanh ướt cần phải xét đến các vấn đề sau:

a) Lót xylanh khô b) Lót xylanh ướt c) Lót xylanh liền thân

Hình 2.1: Các loại lót xylanh+ Khi làm việc không được xoay nhưng có thể giãn nở tự do theo chiềutrục Để đảm bảo vấn đề này, lót xylanh ướt cũng có vai tựa như lót xylanh khô Mặt

vai lót cao hơn mặt thân máy chừng 0,05 ÷ 0,15 mm, để khi lắp ráp nắp xylanh và

gioăng ép chặt với vai do đó có thể tránh lọt khí (hình 2.2a) Vai tựa của lót xylanh có

thể để ở các vị trí khác nhau trên lót (hình 2.2) Các mặt A, B của vai tựa là các mặt

định vị, bảo đảm đường tâm lót xylanh thẳng góc với đường tâm trục khuỷu Mặt B

phải tương đối lớn để khi siết bulông hay gujông lót xylanh không bị biến dạng Hạthấp vị trí vành vai tựa của lót xylanh có thể tránh được hiện tượng biến dạng của ốnglót khi chịu nhiệt độ cao và hiện tượng bó piston

Ngoài ra hạ thấp vị trí vành vai tựa của lót xylanh còn giúp cho việc làm mátphần trên của lót xylanh rất tốt Để tránh vai tựa không bị uốn và biến dạng khi lắp

ráp, đường kính D1ở phía trên (hình 2.2a) và phía dưới vành vai tựa phải bằng nhau.

Tuy vậy, phần lớn lót xylanh ướt đều làm vai tựa ở phía trên lớn hơn phía dưới vì nhưthế ống lót ít bị biến dạng khi lắp ghép hơn Do lót chỉ được cố định một đầu nên cóthể giãn nở tự do theo hướng trục

Hình 2.2: Vị trí vai tựa của lót xylanh ướt+ Bảo đảm không bị lọt khí và rò nước Để tránh lọt khí thường dùng loại

đệm nắp máy (gioăng quy lát) làm bằng amiăng bọc bởi đồng lá hoặc nhôm lá

Để tránh lọt nước xuống cacte thường dùng vòng gioăng cao su có tiết diện hình

vuông hoặc hình tròn lắp trong các rãnh ở phần dưới của lót xylanh (hình 2.3).

Hình 2.3: Các biện pháp tránh lọt khí xuống cacte

- Do lót xylanh tiếp xúc với nước làm mát nên được làm mát tốt, không xảy

ra hiện tượng bó nóng

- Dùng lót xylanh ướt khiến cho công nghệ đúc thân máy trở nên dễ dàng,

đồng thời có thể đúc thân máy bằng vật liệu xấu hơn vật liệu làm lót xylanh

- Gia công lót xylanh tương đối đơn giãn, khi sửa chữa gia công cũng dễdàng

o Tuy vậy lót xylanh ướt cũng tồn tại các khuyết điểm:

- Khó bao kín, dễ bị rò nước xuống cacte làm hỏng dầu nhờn

- Độ cứng vững của lót xylanh ướt kém hơn lót xylanh khô

khối (hình 2.1c) Loại thân máy này được dùng trên các động cơ cỡ nhỏ có áp suất và

nhiệt độ không cao

- Toàn bộ thân máy đều dùng vật liệu tốt như vật liệu xylanh nên lãng phí

Ngoài ra còn có các loại lót xylanh được chế tạo liền với nắp thành một khối

bằng cách rèn liền với nắp hay hàn (hình 2.4) Áo làm mát được chế tạo bằng các tấm

thép không rỉ, có ghép các gờ hình sóng lượng ở phía trên và được hàn liền vào lótxylanh

a) Đúc b) Hàn

Hình 2.4: Các loại lót xylanh liền với nắp

 Vật liệu chế tạo lót xylanh:

Những yêu cầu cơ bản đối với vật liệu chế tạo lót xylanh là:

- Không cho khí hoặc chất lỏng thấm qua,

- Có độ bền cần thiết,

- Có khả năng chống mòn cao,

- Có khả năng chống ăn mòn điện hóa,

- Có khả năng chống xâm thực,

- Có tính công nghệ (tính gia công) tốt

Những vật liệu chính dùng để chế tạo lót xylanh có tốc độ quay thấp và trungbình là: gang CЧ28-48, CЧ32-52 và các loại gang khác Các loại gang này có kết cấupeclit với lượng graphit đủ cao

Để nâng cao độ đồng nhất của cấu trúc, nâng cao tính chất cơ học, tính chống

mòn, chống nở ngang, độ bền nhiệt…, người ta dùng gang biến tính cũng như các loạigang hợp kim (với titan, vanadi, crôm, niken ) và chọn các phương pháp nhiệt luyệnthích hợp

Đối với các động cơ diesel có tốc độ quay cao, ngoài gang người ta còn dùng các

loại thép rèn có pha crôm (thí dụ thép 45X), và các loại thép thấm nitơ (35XMЮA,

38XMЮA, )

Để nâng cao tính chống mòn của lót xylanh ngoài cách hợp kim hóa, người ta

còn áp dụng việc mạ crôm “xốp” cho các lót xylanh bằng gang và thấm nitơ cho cáclót xylanh bằng thép Độ cứng bề mặt của lớp mạ crôm khoảng 800 ÷ 1000HB Độ

cứng này được bảo toàn ở các nhiệt độ cao

Trong quá trình sử dụng (đặc biệt là đối với động cơ có tốc độ quay cao), người

ta thấy hiện tượng bề mặt ngoài của lót xylanh (bề mặt tiếp xúc với nước làm mát) bịphá hoại Để tránh cho bề mặt ngoài không bị ăn mòn điện hóa nảy sinh do tính không

đồng nhất của vật liệu, sự nung nóng không đều và các nguyên nhân khác, cần phải

phủ lên chúng một lớp sơn bakêlit, mạ cadimi, mạ thiếc, mạ crôm hoặc dùng các tấmkẽm bảo vệ dương cực

2.1.2 Nắp xylanh

Nắp xylanh là chi tiết đậy kín không gian công tác của động cơ từ phía trên và là

nơi lắp đặt một số bộ phận khác của động cơ như: xupap, đòn gánh xupap, vòi phun

hoặc buji, các chi tiết của hệ thống làm mát, Ngoài ra trên nắp còn bố trí đường thải,

đường nạp, buồng cháy phụ, đường nước làm mát, đường dẫn dầu bôi trơn,… do đó

làm cho kết cấu của nắp xylanh trở nên rất phức tạp

Động cơ nhiều xylanh có thể có 1 nắp xylanh chung cho tất cả các xylanh hoặc

nhiều nắp xylanh riêng cho 1 hoặc 1 số xylanh (hình 2.5) Nắp xylanh riêng có ưu

điểm là dễ chế tạo, tháo lắp, sửa chữa và ít bị biến dạng hơn Nhược điểm của nắp

xylanh riêng là khó bố trí các bulông để liên kết nắp xylanh với khối xylanh, khó bố trí

ống nạp và ống xả hơn so với nắp xylanh chung

a) Nắp xylanh chung

b) Nắp xylanh riêng

Hình 2.5: Nắp xylanh

Vật liệu

Nắp xylanh thường được chế tạo từ gang hoặc hợp kim nhôm bằng phương pháp

đúc Nắp xylanh bằng gang ít bị biến dạng hơn so với nắp xylanh bằng hợp kim nhôm,nhưng nặng hơn và dẫn nhiệt kém hơn

Khối xylanh thường được đúc bằng các loại gang CЧ18-36, CЧ21-40,

CЧ24-44, CЧ28-48 và các loại gang biến tính Kết cấu hàn ít được dùng hơn, nó thường đượcdùng trong trường hợp xylanh có kết cấu quá phức tạp

Hình 2.6: Bộ khung động cơ

1: Nắp quy lát; 2: khối xylanh; 3: hộp trục khuỷu; 4: cacte

Bảng 2.1: Các đặc trưng của vật liệu chế tạo các chi tiết chịu nhiệt động cơ

92,388(21OC);1,011(93OC);

8,942(149OC); 6,874(204OC);

84,116(260OC);0,669(316OC);

75,842(371OC);70,327(427OC)[22]

10[12_tr331]; 11,9(293K);

13,1(500K); 14,5(800K) [23]

Hệ số dẫn nhiệt (W/m.oK)

26÷ 48,6[18] ÷ 52[12_tr258]

2.2 ỨNG SUẤT NHIỆT XYLANH ĐỘNG CƠ 4 KỲ

Xylanh là một bộ phận quan trọng tạo nên không gian công tác của động cơ do

đó xylanh làm việc trong điều kiện được coi là khắc nghiệt nhất trong động cơ Ngoài

tải cơ do áp suất khí cháy gây ra, mặt trong xylanh tiếp xúc với khí cháy nên nó cònphải chịu tải nhiệt, các tải này không ổn định mà biến thiên theo chu trình hoạt độngcủa động cơ

Trong khi đó mặt ngoài tiếp xúc với môi chất làm mát nên nhiệt độ tại các điểm

là không giống nhau theo chiều dọc và chiều dày thành xylanh Sự không đồng nhấtcủa nhiệt độ tại các điểm gây nên ứng suất nhiệt xylanh Độ chênh lệch nhiệt độ tại các

điểm này càng lớn thì ứng suất nhiệt sinh ra càng lớn

Nhóm ứng suất cơ gồm có: ứng suất dư, ứng suất lắp ghép, ứng suất tạo bởi ápsuất trong xylanh

Ứng suất nhiệt gồm có ba thành phần như sau:

- Ứng suất nhiệt tựa tĩnh tạo bởi hiệu số giữa trị số trung bình của chất lỏng làmmát xylanh và của MCCT bên trong xylanh

- Ứng suất nhiệt biến thiên tần số thấp, xuất hiện bởi sự thay đổi của tải bên

ngoài (ví dụ khởi động động cơ, chuyển từ chế độ không tải sang nhận tải, tăng tốc,lên xuống dốc, dừng máy ) Về bản chất, mỗi chế độ làm việc chuyển tiếp đều gâynên ứng suất nhiệt dạng này.

- Ứng suất nhiệt biến thiên tần số cao, xuất hiện trên lớp bề mặt trong thànhxylanh do tiếp xúc trực tiếp với MCCT có nhiệt độ biến thiên theo chu trình công táctrong xylanh Do tính ỳ nhiệt của vật liệu, càng vào sâu bên trong lòng vật liệu, biên

độ biến thiên càng giảm rất nhanh theo quy luật giao động tắt dần

2.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ỨNG SUẤT NHIỆT CỦA XYLANH

2.3.1 Ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu

Phân tích các yếu tố kết cấu cho phép đánh giá hợp lý kết cấu của xylanh, hiểu

được sự cần thiết phải giải quyết vấn đề kết cấu, làm rõ hướng phát triển ngành chế tạođộng cơ

Một số yếu tố sau đây ảnh hưởng rõ rệt đến ứng suất nhiệt xylanh động cơ:

chiều dày vách xylanh, tiết diện lưu thông ống dẫn nước làm mát, phân bố bề mặt làmmát, tính chất vật lý chất lỏng dùng làm mát (nước hay dầu), vật liệu dùng để chế tạo

xylanh, đường kính ống lót xylanh

Nhiệt độ vách và độ chênh nhiệt độ hai vách phụ thuộc vào chiều dày xylanh

được làm mát (nhiệt độ vách trong và vách ngoài của xylanh được xác định theo

phương pháp vách tương đương (hình 2.7) Từ hình 2.8 ta thấy, khi giảm chiều dày

vách δ thì độ chênh nhiệt độ hai phía vách (T1-T2) giảm và giảm cả nhiệt độ vách vềphía khí T1, do đó ứng suất nhiệt của xylanh giảm Khi đó mật độ dòng nhiệt truyềncho nước làm mát tăng lên do giảm sức cản nhiệt của vách

Giảm tiết diện lưu thông đường nước làm mát, tốc độ dòng chảy tăng lên, làm

tăng hệ số truyền nhiệt từ vách đến chất lỏng làm mát αn, làm giảm tỷ số λ/αn, (hình

2.8) nên nhiệt độ của vách giảm.

Ảnh hưởng của đường kính ống lót xylanh: khi tăng đường kính ống lót xylanh

sẽ làm tăng ứng suất nhiệt (hình 2.8), vì khi đó tăng chiều dày vách, tăng lượng nhiên

liệu cháy, nên làm tăng dòng nhiệt truyền vào môi trường làm mát

2.3.2 Ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng

Các yếu tố sử dụng như phụ tải của ống lót xylanh, sức cản và nhiệt độ nướclàm mát, sự tồn tại các lớp cáu cặn, làm mát không khí tăng áp, sức cản trên đườngnạp, khối lượng không khí nạp, vòng quay ban đầu của trục khuỷu khi khởi động vàchế độ dừng động cơ Đặc biệt là chất lượng cháy và phụ tải giữa các xylanh không

đồng đều do trạng thái kỹ thuật động cơ giảm xuống theo thời gian khai thác, gây hiệntượng quá tải một số xylanh Khi đó nhiệt độ xylanh tăng lên đột ngột, nhất là các bề

mặt tiếp xúc khí cháy, nên ứng suất nhiệt tăng

2.3.2.1 Ảnh hưởng phụ tải của xylanh

Phụ tải của xylanh được đánh giá thông qua áp suất có ích trung bình pe, Khi

tăng tải, nhiệt độ trung bình và HSTĐN từ khí đến vách tăng lên Nhiệt độ vách trong

và độ chênh nhiệt độ của vách tăng lên tức là ứng suất nhiệt của xylanh tăng lên

Hình 2.8: Sơ đồ truyền nhiệt qua vách cóchiều dày khác nhau khi cùng điều kiện

truyền nhiệt (αn)

Hình 2.7: Sơ đồ truyền nhiệt qua vách

vật liệu ống lót xylanh; mc - HSTĐN từ khí đến

nước làm mát

2.3.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ nước làm mát

Nhiệt độ nước làm mát ảnh hưởng đến ứng suất nhiệt khác nhau Với hệ thốnglàm mát kín, nhiệt độ nước làm mát ra khỏi động cơ 65÷75oC đối với động cơ thấp tốc,

75÷85oC đối với động cơ trung tốc, đối với động cơ cao tốc nhiệt độ nước làm mát ra

khỏi động cơ có thể lên tới 95oC [5_tr241] Khi tăng nhiệt độ nước làm mát làm giảm

độ chênh nhiệt độ của vách, nên ứng suất nhiệt xylanh giảm Nhưng khi nhiệt độ củavách tăng làm xấu điều kiện bôi trơn ống lót xylanh

2.3.2.3 Ảnh hưởng của tính chất của chất lỏng làm mát

Thông thường người ta sử dụng dầu tuần hoàn hoặc nước ngọt để làm mát các

chi tiết của động cơ Nước làm môi trường làm mát tốt nhất vì tỷ nhiệt làm mát của

nước lớn, hệ số truyền nhiệt từ vách tới nước lớn, do đó nhiệt độ của vách thấp hơn so

với làm mát bằng dầu ngay cả khi phụ tải động cơ cao

2.3.2.4 Ảnh hưởng của lớp cáu cặn

ở vách các chi tiết được làm mát

Cáu cặn ở vách xylanh được làm mátbằng nước sẽ làm tăng ứng suất nhiệtxylanh Lớp cáu cặn có độ dẫn nhiệt kémlàm nhiệt độ của vách tăng nên mật độ dòngnhiệt truyền vào môi trường làm mát giảmmặc dù chiều dày của lớp này nhỏ, nhiệt độ

vách về phía chất khí tăng (hình 2.9) Sự tạo

thành lớp cáu cặn về phía làm mát sẽ làmgiảm khả năng truyền nhiệt ra bên ngoài và

làm tăng ứng suất nhiệt xylanh

2.3.2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí tăng áp

Nhiệt độ không khí tăng áp Ts ảnh hưởng đến ứng suất nhiệt giống như ảnhhưởng của phụ tải Khi giảm nhiệt độ Ts, sẽ làm giảm nhiệt độ của môi chất trong toàn

bộ chu trình, làm giảm nhiệt độ trung bình của vách và hệ số tỏa nhiệt của khí Làm

mát không khí tăng áp là biện pháp tốt nhất để giảm ứng suất nhiệt

Hình 2.9: Sơ đồ truyền nhiệt qua váchkhi tồn tại lớp cáu cặn về phía làm mát

2.3.2.6 Ảnh hưởng của suất tiêu hao nhiên liệu có ích

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge) là một trong những thông số ảnh hưởngnhiều đến ứng suất nhiệt xylanh Trong quá trình khai thác động cơ, trạng thái kỹ thuậtkém sẽ làm tăng ge, làm xấu khả năng tự cháy và cháy của nhiện liệu, từ đó ảnh hưởng

đến ứng suất nhiệt của xylanh

2.4 ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG ĐỘNG CƠ Ở CÁC CHẾ ĐỘ CHUYỂN TIẾP

Các công trình nghiên cứu cho thấy, ứng suất nhiệt của xylanh động cơ khôngchỉ đặc trưng bởi ứng suất nhiệt và nhiệt độ của các chi tiết mà còn đặc trưng bởi tốc

độ biến thiên của nhiệt độ và gradient nhiệt độ của vách Các chi tiết của xylanh chịuứng suất nhiệt lớn nhất thường ở các chế độ trao đổi nhiệt không ổn định, đặc biệt là ở

các chế độ chuyển tiếp như: khởi động, chuyển nhanh đến các chế độ toàn tải, dừng

đột ngột

2.4.1 Chế độ khởi động

Khi khởi động động cơ xảy ra quá trình trao đổi nhiệt mãnh liệt giữa khí với

vách xylanh nhưng khi đó chỉ có một phần nhiệt lượng được truyền cho nước làm mát,

còn lại phần lớn nhiệt tích tụ lại làm nóng nhanh vách ống lót xylanh, nhất là khi khởi

động động cơ ở trạng thái nguội lạnh, khi đó nhiệt độ vách ống lót xylanh không lớnnhưng tốc độ biến thiên của nhiệt độ và gradient nhiệt độ của vách lớn Để loại trừ ứng

suất nhiệt vượt quá ứng suất nhiệt cho phép thì trước khi khởi động động cơ, nhất làkhi trời lạnh phải sấy nóng bằng nước ấm Sau khi sấy nóng động cơ, ứng suất nhiệtxylanh giảm xuống

2.4.2 Chế độ ngừng đột ngột động cơ

Khi dừng đột ngột động cơ thì nhiệt độ của xylanh tăng lên do bơm nước và

bơm dầu ngừng hoạt động Nếu ở nhiệt độ đó, khởi động động cơ lần 2 có thể tạo nên

những lớp cặn đọng trên bề mặt tiếp xúc với dầu nhờn, xuất hiện rạn nứt do tồn tại ứngsuất co ngót Vì vậy khi nhận tải đột ngột và dừng liên tục động cơ thì nhiệt độ có thể

tăng rõ rệt ở những điểm khác nhau, làm tăng gradient nhiệt độ Khi khởi động lại có

thể làm nứt xylanh do tác dụng của ứng suất cục bộ

2.4.3 Chế độ thay đổi tải

Trong quá trình khai thác, công suất động cơ thường phải thay đổi cho phù hợpvới tải bên ngoài, do đó vòng quay, các thông số của hệ thống cấp nhiên liệu và hệthống phân phối khí thay đổi theo Khi làm việc ở các chế độ khác với định mức, chất

lượng cấp nhiên liệu, chất lượng nạp, tỷ số giữa lượng không khí và lượng nhiên liệu

cấp cho chu trình không tương ứng, do đó chất lượng hòa trộn hỗn hợp xấu đi rõ rệt,làm xấu chất lượng quá trình cháy, quá trình cháy kéo sang giai đoạn giãn nở Tất cả

điều đó làm tăng ứng suất nhiệt xylanh nói riêng và các chi tiết chịu nhiệt động cơ nói

chung

Khi tải thường xuyên thay đổi do xung của khí và sự rung động động cơ làm

cho HSTĐN từ khí đến vách xylanh, từ vách đến nước cũng như độ chênh nhiệt độ

vách trong và vách ngoài ống lót xylanh thay đổi theo thời gian Thời gian chuyển tiếptrạng thái nhiệt giữa các lớp, giữa các vùng vật liệu của xylanh có độ chênh lớn, ứngsuất giữa chúng không đồng đều nhau, do đó trong các thời kỳ này các lớp vật liệuluôn luôn bị kéo nén, bị biến dạng Biến dạng dẻo và kéo nén nhiều lần sẽ xuất hiệncác vết nứt

Như vậy khi làm việc ở các chế độ chuyển tiếp, ứng suất nhiệt xylanh tăng lên

và sự tích tụ biến dạng dư vượt quá giới hạn cho phép góp phần phá hỏng vật liệu Chế

độ chuyển tiếp là chế độ nguy hiểm nhất cả về ứng suất cơ và ứng suất nhiệt đối với

xylanh nói riêng và các chi tiết chịu nhiệt động cơ nói chung

CHƯƠNG 3XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG

XYLANH ĐỘNG CƠ 4 KỲ

3.1 MÔ HÌNH KẾT CẤU

Giai đoạn đầu tiên khi giải bài toán cơ học kết cấu là mô hình hóa: chuyển cấu

hình của kết cấu thực thành mô hình kết cấu thích hợp tính toán trên cơ sở đảm bảo

tương đương về tính chất vật lý của bài toán Khi mô hình hóa, cần xem xét những vấn

đề như: đặc trưng hình học kết cấu, vật liệu chế tạo, tải, điều kiện biên,…

3.1.1 Nguyên tắc mô hình hóa

- Giảm bớt chiều không gian để đưa bài toán về bài toán hai chiều hoặc thậmchí một chiều để đơn giản trong khi tính

- Tách kết cấu phức tạp thành những kết cấu đơn giản hơn trên cơ sở đảm bảokết cấu có độ cứng lớn hơn là chỗ dựa cho kết cấu có độ cứng thấp hơn Đồng thời môhình tính sau khi tách phải đáp ứng được các yêu cầu sau:

+ Phản ánh được một cách chính xác và đầy đủ đặc điểm và nguyên tắc làmviệc của các kết cấu trước khi tách

+ Đảm bảo hệ kết cấu trước và sau khi tách phải cân bằng về lực, mômen và

chuyển vị

- Cần vận dụng tối đa tính chất đối xứng của kết cấu và tải trọng

Như đã phân tích ở phần trước, xylanh là một chi tiết tròn xoay chịu tải đối

xứng trục, do đó bài toán tính ứng suất nhiệt trên thành xylanh là bài toán đối xứngtrục

Do đối xứng trục, chuyển vị và ứng suất trên thành xylanh của tất cả các mặt

cắt đi qua trục đối xứng đều như nhau Vì vậy để xác định ứng suất phân bố trên thànhxylanh ta chỉ cần xác định ứng suất một bên thành xylanh trên mặt cắt đi qua trục đối

xứng của xylanh (hình 3.1b và hình 3.2b).

3.1.2 Các giả thiết

- Trong mô hình tính ta bỏ đi những bộ phận không ảnh hưởng nhiều đến ứngsuất của xylanh như đường nạp và đường xả trên nắp xylanh, các lỗ dẫn nước từ khốixylanh lên nắp xylanh, các gioăng làm kín nước,

- Xylanh và các chi tiết liên kết với nó (nắp xylanh, khối xylanh, áo nước làm

mát) có tính đối xứng trục

- Xylanh, nắp xylanh, khối thân đồng nhất về vật liệu

3.1.3 Điều kiện biên

Trong việc xây dựng mô hình tính cần đặc biệt quan tâm tới việc mô tả điềukiện biên, chất lượng mô tả điều kiện biên có ảnh hưởng quan trọng đến chất lượng môhình tính Trong thực tế, việc thiết lập các điều kiện biên để thay cho liên kết khi táchrời hệ kết cấu thường được thực hiện theo hai phương pháp như sau:

- Phương pháp lực: thay các kết cấu lân cận với kết cấu đang xét bằng các ứnglực tương đương trên cơ sở điều kiện cân bằng về lực tác dụng

- Phương pháp chuyển vị: thay các kết cấu lân cận với kết cấu đang xét bằngcác mối liên hệ động học, trên cơ sở điều kiện liên tục về chuyển vị

Việc sử dụng phương pháp nào sẽ phụ thuộc chủ yếu vào phương pháp giải cơhọc kết cấu Khi phân tích kết cấu được thực hiện theo PP PTHH, ta thường mô tả điềukiện biên bằng các gối đỡ liên kết, nghĩa là để tách rời các kết cấu, ta cần phải đặt vào

vị trí liên kết các liên kết động học, nhằm mục đích đảm bảo đặc điểm làm việc của kếtcấu trước và sau khi tách là không thay đổi và điều kiện biên nói trên được hiểu như

đặc điểm làm việc của các gối liên kết đưa vào mô hình Tuy nhiên trong nhiều trường

hợp, để đơn giản hóa quá trình tính toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết, ta cóthể theo nguyên tắc kết cấu có độ cứng lớn hơn phải làm chỗ tựa cho kết cấu có độcứng nhỏ hơn

Như đã phân tích ở phần trước, mặt ngoài xylanh được liên kết với khối xylanh,

một đầu tiếp xúc với nắp xylanh, đầu còn lại để tự do (hình 3.1b và hình 3.2b).

Hình 3.1.a Kết cấu thành xylanh ướt

1: thành xylanh;2:khối xylanh;

3: nắp xylanh; 4: ngăn nước làm mát;

5: gioăng làm kín

Hình 3.1.b Mô hình tính thành xylanh ướt

1: thành xylanh; 2: khối xylanh;

3: nắp xylanh; 4:ngăn nước làm mát

Hình 3.2.a Kết cấu thành xylanh ướt

1: thành xylanh;2:khối xylanh;

3: nắp xylanh; 4: ngăn nước làm mát;

5: gioăng làm kín

Hình 3.2.b Mô hình tính thành xylanh ướt

1: thành xylanh; 2: khối xylanh;

3: nắp xylanh; 4:ngăn nước làm mát

Khối xylanh liên kết cố định với hộp trục khuỷu ở phía dưới bằng phương pháp

đúc, hàn hoặc bắt bulông Trong quá trình động cơ hoạt động, hộp trục khuỷu ít chịu

tải trọng cơ và nhiệt do đó chuyển vị theo phương Y của nó xem như không đáng kể

Vì vậy, trong mô hình tính ta thay liên kết với hộp trục khuỷu bằng gối liên kết di

động (bị hạn chế chuyển vị theo phương Y) Các mặt còn lại của xylanh, khối xylanh

và nắp xylanh không liên kết với chi tiết khác nên được xem như tự do

Do tính đối xứng nên chuyển vị theo phương X của các điểm trên trục đối xứng

thuộc nắp xylanh bằng 0 (UX = 0) (hình 3.1b và hình 3.2b).

3.2 CHU TRÌNH NHIỆT THỰC TẾ CỦA ĐỘNG CƠ 4 KỲ

3.2.1 Chu trình nhiệt thực tế của động cơ 4 kỳ

Chu trình làm việc thực của động cơ biểu diễn quá trình thay đổi áp suất trongxylanh phụ thuộc vào thể tích MCCT trong xylanh, nó là cơ sở cho việc xác định cácthông số kỹ thuật chính của động cơ

Chu trình làm việc thực của động cơ khác chu trình lý thuyết ở chỗ có sự thay

đổi MCCT sau mỗi chu trình làm việc do đó có sự tổn thất năng lượng do sự cản dòng

chảy của khí mới nạp và của sản vật cháy ra ngoài không gian công tác, đồng thờitrong chu trình làm việc thực luôn luôn xảy ra sự trao đổi nhiệt giữa MCCT với thànhxylanh

Do chu trình làm việc thực của động cơ phức tạp hơn nhiều chu trình lý thuyếtnên trong tính toán ta không thể đề cập hết các thông số ảnh hưởng đến quá trình nhiệt

động lực học trong động cơ mà phải lược đi những thông số ảnh hưởng không đáng

đoạn: cháy đẳng tích và cháy đẳng áp.

- Khi tính toán quá trình giãn nở ta cũng xem chỉ số giãn nở đa biến n2 không

a

T T

T T



+

+

∆ +

=

1

. (vớiλt = 1)(3.1)

- Áp suất cuối quá trình nạp:

1 1

c

a a

V

V T

Trong đó:

c s

V = +

(3.5)Với:

(3.6)

T T

P P

T T

3.2.2.4 Quá trình thải

- Áp suất cuối quá trình thải (áp suất khí sót):

) 06 1 03 1

- Nhiệt độ khí sót:

3.2.2.5 Xây dựng đồ thị T-φ và P-φ

Theo [3] để xây dựng đồ thị T-φ và P-φ ta lập các bảng sau:

Bảng 3.1: Bảng giá trị áp suất và nhiệt độ trên đường cong nén

T

(oK) 180

1 1 )

) (

P =  

(3.22)

- Nhiệt độ hỗn hợp khí theoϕ:

1 1

) ( )

) ( )

T  =   − - Nhiệt độ khí cháy theoϕ

(3.26)

) (

) ( ) (

180

Trong đó: Chuyển vị của piston theo gqtk

)(.)( r 

( 3.28)

Từ bảng 3.1 và 3.2 ta vẽ được các đồ thị nhiệt độ đường nén và giãn nở theogqtk (ϕ) Quá trình cháy không điều khiển diễn ra trong thời gian rất ngắn (khoảng 200gqtk) nên ta giả thuyết sự thay đổi nhiệt độ và áp suất trong giai đoạn này là tuyến tính

(đồ thị có dạng đường bậc nhất) Giá trị nhiệt độ quá trình nạp và quá trình xả thấp vàthay đổi không đáng kể từ đầu đến cuối quá trình nên ta cũng giả thuyết sự thay đổi

nhiệt độ trong các quá trình này là tuyến tính Tương tự trong quá trình xây dựng đồthị P-ϕ ta cũng giả sử như vậy

Từ các giả thuyết và kết quả tính nêu trên ta vẽ đồ thị T-φ và P-φ: trên đồ thị

được triển khai sang tọa độ T-φ, các điểm: r’, r”, a’, b” có tính chất minh hoạ biểu diễn

nhiệt độ theo đường cong áp suất trên toạ độ P – φ, đường thẳng cz thể hiện sự thay

đổi nhiệt độ trong giai đoạn cháy không điều khiển