nghiên cứu sự tương tác và biến dạng của cặp pittông - xilanh động cơ đốt trong khi tăng áp

Mục đích của đề tài được thể hiễn rõ qua tên đề tài là nghiên cứu sự tương tác và biến dạng của cặp pittông - xilanh động cơ đốt trong khi tăng áp, trên cơ sở đó đánh giá được sức bền và

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU SỰ TƯƠNG TÁC VÀ BIẾN DẠNG CỦA CẶP PITTONG – XI LANH ĐỘNG

CƠ ĐỐT TRONG KHI TĂNG ÁP

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Học viên: Bùi Thị Ngọc Chiến

Lớp: CHK11 CTM

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

HDKH: TS Lê Quốc Phong

Mục lục

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ, SỰ TƯƠNG TÁC CỦA CẶP PITTÔNG - XILANH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về động cơ tăng áp 2

1.1.1 Tác động của tăng áp tới tính năng làm việc của động cơ 2

1.1.2 Các phương pháp tăng áp chủ yếu 2

1.1.3 Sự thay đổi hiệu suất cơ giới của động cơ trước và sau khi tăng áp 5

1.2 Sự tương tác của cặp pittông - xilanh động cơ đốt trong 6

1.2.1 Mô hình không có khe hở và không có sự tương tác 7

1.2.2 Mô hình có khe hở, không tương tác 9

1.2.3 Mô hình có khe hở, có tương tác 11

1.3 Một số kết quả nghiên cứu trong nước 13

1.4 Kết luận chương 1 và tổng quan về vấn đề nghiên cứu 15

1.5 Bố cục của luận văn 16

NHIỆT ĐỘNG, SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA PITTÔNG VÀ XILANH

ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG.

2.1 Đặt vấn đề 17

2.2 Mô hình hình học cặp pittông và xilanh động cơ khảo sát 2.2.1 Mô hình hình học pittông 18

2.2.2 Mô hình hình học ống lót xilanh 18

2.3 Mô hình tương tác giữa pittông - xilanh động cơ đốt trong 19

2.4 Phương trình tương tác giữa thân pittông với thành xilanh 22

Chương 3 TÍNH TOÁN SỰ BIẾN DẠNG VÀ SỰ TƯƠNG TÁC CỦA CẶP PITTÔNG - XILANH ĐỘNG CƠ SAU TĂNG ÁP 3.1 Đối tượng và công cụ khảo sát 3.1.1 Đối tượng khảo sát 30

3.1.2 Công cụ khảo sát 33

3.2 Gi ới thiệu chung về Phần mềm ANSYS 33

3.2.1 Các mô đun chính của ASYS 34

3.2.2 Sơ đồ khối giải bài toán kỹ thuật bằng phần mềm ANSYS 35

3.3.Phương pháp phần tử hữu hạn 3.31 Khái niệm chung về phương pháp phần tử hữu hạn 36

3.3.2.Trình tự của bài toán giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn 36 3.3.3 Phạm vi ứng dụng của phương pháp phần tử hữu hạn 37

3.3.4 Các hình dạng phần tử cơ bản 37

3.4 Tổng quan về phần mềm GT-Suite 40 3.5 Tính toán nhiệt động và động lực học động cơ khảo sát

3.7 Khảo sát sự biến dạng và sức bền cặp pittông – xilanh và kết quả

3.7.1 Xây dựng mô hình khảo sát và kết quả trạng thái ứng suất

và biến dạng xilanh 57

3.7.2 Xây dựng mô hình khảo sát và kết quả trạng thái ứng suất

và biến dạng pittông 62

Chương 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

4.1 Kết luận 68

4.2 Kiến nghị: 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

PHỤ LỤC

Ký hiệu Diễn giải Thứ nguyên

C Hệ số phụ thuộc vào điều kiện cố định ống lót xilanh -

c Nhiệt dung riêng của vật liệu J/kg.K

E Môđun đàn hồi của vật liệu Mpa

F Tiết diện truyền nhiệt vuông góc với hướng truyền

nhiệt

m2

F1N Lực tương tác giữa pittông và thành xilanh N

Fđh Lực đàn hồi của màng dầu bôi trơn N

FC Lực cản nhớt của màng dầu bôi trơn N

k Áp suất khí cháy phía dưới đỉnh pittông Pa

pj Lực quán tính của K.lượng chuyển động tịnh tiến N

pk Lực khí thể tác dụng lên đỉnh pittôn N

 Góc quay của trục khuỷu trục so với đường tâm xilanh Độ

 Góc nghiêng của đường tâm thanh truyền so với

 Tốc độ góc của trục khuỷu Rad

Ký hiệu Tiếng việt

PPPTHH Phương pháp Phần tử hữu hạn

PTVPTP Phương trình vi phân từng phần

Hình 1.1: Tăng áp dẫn động cơ khí 3

Hình 1.2: Các phương pháp tăng áp tuabin khí 3

Hình 1.3: Tăng áp hỗn hợp mắc nối tiếp 4

Hình 1.4 : Tăng áp hỗn hợp mắc song song 4

Hình 1.5: Mô hình tương tác giữa pittông - xilanh khi không có khe hở và không tương tác 7

Hình 1.6: Chuyển động của pittông trong khe hở giữa pittông – xilanh 9

Hình 1.7: Lực, mômen tác dụng lên pittông và chuyển động của pittông theo phương x và hai toạ độ suy rộng et, eb 10

Hình 2.1: Kết cấu pittông động cơ D6 18

Hình 2.2: Kết cấu xilanh động cơ D6 19

Hình 2.3: Mô hình tương tác giữa thân pittông và thành xilanh 20

Hình 2.4: Xilanh được rời rạc hoá bằng PTHH với các phần tử chữ nhật-Phần tử chữ nhật kết cấu xilanh trên nền đàn hồi 22

Hình 2.5: Tương tác giữa thân pittông với phần tử kết cấu xilanh 23

Hình 3.1: Mặt cắt ngang động cơ D6 30

Hình 3.2: Bố trí động cơ D6 trong khoang động truyền lực trên xe 31

tăng T-76 Hình 3.3: Sơ đồ khối giải bài toán kỹ thuật bằng phần mềm ANSYS 35

Hình 3.4: Ứng dụng GT-Power trong mô phỏng quá trình cháy 42

Hình 3.5: Ứng dụng GT-Power trong tính toán nhiệt 42

Hình 3.6: Ứng dụng GT-Power trong mô phỏng hệ thống nạp, xả 42

của động cơ (mô phỏng 1D-3D) Hình 3.7: Ứng dụng GT-Power trong lựa chọn cụm tuabin - máy 42 nén cho động cơ khi tăng áp theo phương pháp tuabin - máy nén

Hình 3.13: Nhiệt độ môi chất công tác trong xilanh số 5 52

Hình 3.14: Nhiệt độ môi chất công tác trong xilanh số 6 52

Hình 3.15: Áp suất khí cháy trong xilanh số 1 52

Hình 3.16: Áp suất khí cháy trong xilanh số 2 52

Hình 3.17: Áp suất khí cháy trong xilanh số 3 53

Hình 3.18: Áp suất khí cháy trong xilanh số 4 53

Hình 3.19: Áp suất khí cháy trong xilanh số 5 53

Hình 3.20: Áp suất khí cháy trong xilanh số 6 53

Hình 3.21: Khe hở giữa pittông và thành xilanh tại toạ độ suy rộng 55

et theo chuyển dịch của pittông Hình 3.22: Khe hở giữa pittông và thành xilanh tại toạ độ suy rộng 56

eb theo chuyển dịch của pittông Hình 3.23: ảnh hưởng của khe hở  đến lực tương tác tại vị trí et 57

Hình 3.24: Mô hình hình học xilanh 58

Hình 3.25: Mô hình phần tử hữu hạn xilanh 59

Hình 3.26: Biến dạng xilanh theo phương X 60

Hình 3.27: Biến dạng xilanh theo phương Y 60

Hình 3.28: Biến dạng xilanh theo phương Z 61

Hình 3.29: Biến dạng tổng hợp xilanh 61

Hình 3.30: Phân bố ứng suất chính (Von Mises Stress) xilanh 62

Hình 3.31: Mô hình hình học pittông 63

Hình 3.32: Mô hình phần tử hữu hạn pittông 64

Hình 3.33: Biến dạng pittông theo phương X, [mm] 65

Hình 3.34: Biến dạng pittông theo phương Y, [mm] 65

Hình 3.35: Biến dạng pittông theo phương Z, [mm] 66

Hình 3.36: Biến dạng tổng hợp pittông, [mm] 66

MỞ ĐẦU

Cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền hiện đã được thừa nhận là một trong những

cơ cấu có mức rung động và tiếng ồn khá cao Nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện trong lĩnh vực động lực học, với mục đích giảm sự rung động của cơ cấu, để bảo đảm sự làm việc êm dịu của động cơ

Lực tương tác gây ra bởi sự va đập của pittông với thành xilanh là một trong những nguồn ồn cơ khí chính của động cơ điêzen Đặc biệt, ngày nay vấn đề cường hoá cho động cơ là hết sức cần thiết, một trong những biện pháp được coi là tối ưu nhất là dùng biện pháp tăng áp cho động cơ Đây chính là tính thực tiễn và cấp thiết của đề tài

Chính vì vậy tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu sự tương tác và biến

dạng của cặp pittông - xilanh động cơ đốt trong khi tăng áp” làm đề tài luận văn

cao học

Mục đích của đề tài được thể hiễn rõ qua tên đề tài là nghiên cứu sự tương tác và biến dạng của cặp pittông - xilanh động cơ đốt trong khi tăng áp, trên cơ sở

đó đánh giá được sức bền và khe hở của cặp pittông - xilanh động cơ tăng áp

Cấu trúc của luận văn gồm: Phần mở đầu; chương 1, 2, 3 và 4; tài liệu tham khảo; phụ lục

Nội dung chính của luận văn:

Chương 1: Chủ yếu nghiên cứu tổng quan về động cơ tăng áp và sự tương tác của cặp pittông - xilanh động cơ đốt trong

Chương 2: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của việc xây dựng mô hình tính toán nhiệt động của động cơ khảo sát và mô hình khảo sát sự tương tác giữa chúng

Chương 3: Đi sâu tính toán sự tương tác và biến dạng của cặp pittông -

xilanh động cơ D6 sau tăng áp

Chương 4: Trình bày về kết luận và kiến nghị của luận văn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ, SỰ TƯƠNG TÁC

CỦA CẶP PITTÔNG - XILANH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

VÀ TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về động cơ tăng áp

1.1.1 Tác động của tăng áp tới tính năng làm việc của động cơ

Tăng áp là biện pháp chủ yếu nâng cao công suất động cơ điezen Nếu ta

dùng một máy nén khí riêng để nén trước không khí rồi đưa vào xi lanh động cơ sẽ làm tăng mật độ không khí, qua đó tăng khối lượng không khí nạp vào xi lanh mỗi chu trình, vì vậy sẽ là tăng công suất của động cơ cách làm ấy được gọi là tăng áp Tăng áp đối với động cơ xăng rất ít dùng biện pháp tăng áp vì dễ gây kích

nổ, còn ở động cơ điezen tăng áp là biện pháp chủ yếu để nâng cao công suất động

cơ tốt nhất

Trong thời gian gần đây, do có tiến bộ nhanh về kỹ thuật tua bin và máy nén nên phạm vi sử dụng tăng áp ngày một mở rộng và áp suất tăng áp pk ngày một nâng cao làm cho không những tăng tính năng động lực học của động cơ tốt hơn động cơ không tăng áp mà còn hạ thấp suất tiêu hao nhiên liệu

Nếu áp suất trung bình của động cơ điêzen không tăng áp pe thường không quá 0,7 - 0,9 Mpa thì pe của động cơ điêden tăng áp thấp nhất cũng đạt 1-1,2 Mpa, nếu nâng cao áp suất pk và làm lạnh trung gian cho không khí phía sau máy nén, đã

có thể đưa áp suất có ích trung bình pe của động cơ thực nghiệm tới 4 Mpa, còn nhiều động cơ tăng áp đang chế tạo hiện nay đã đạt pe3 Mpa

1.1.2 Các phương pháp tăng áp chủ yếu:

Dựa vào nguồn năng lượng để nén không khí trước khi đưa vào động cơ, người ta chia các phương pháp tăng áp thành bốn nhóm sau đây:

1.1.2.1 Tăng áp dẫn động cơ khí : Phương pháp tăng áp bằng dẫn động cơ khí được trình bày trên hình 1.1

Truyền động từ trục khuỷu động cơ, qua bánh răng, xích hoặc dây đai dẫn động máy nén khí kiểu li tâm, kiểu roto, phiến gạt hoặc kiểu trục vít v.v

1.1.2.2 Tăng áp nhờ năng lượng khí thải

Nguồn năng lượng để nén không khí được lấy từ khí thải Nhóm này được chia làm hai loại:

Tăng áp tua bin khí: được trình bày như trên hình 1.2

Máy nén K được dẫn động bởi tua bin khí T, hoạt động nhờ năng lượng khí thải của động cơ Không khí từ ngoài trời qua máy nén được nén tới áp suất pk > porồi vào xi lanh của động cơ Do tăng áp tua bin khí được dẫn động nhờ năng lượng khí thải không phải tiêu thụ công suất của động cơ như tăng áp cơ khí nên dẫn tới

có thể làm tăng tính kinh tế của động cơ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 3 -10

% Động cơ tăng áp cao thường nắp két làm mát trung gian để giảm nhiệt độ, qua

đó nâng cao mật độ không khí tăng áp đi vào động cơ.Khi hoạt động ở những vùng cao, công suất của động cơ tăng áp tua bin khí chỉ giảm rất ít so với trường hợp

không tăng áp, vì vậy phương án này thường được dùng rộng rãi trên vùng cao nhằm hồi phục công suất động cơ Mặt khác tăng áp tua bin khí còn tạo điều kiện giảm ồn, giảm thành phần độc hại trong không khí xả, do đó loại này đang được sử dụng nhiều nhất hiện nay Những động cơ điêzen từ 35 KW - 3500 KW phần lớn chiếm khoảng 70 -80% dùng tăng áp tua bin khí

Tăng áp bằng sóng khí:

Khí thải của động cơ tiếp xúc trực tiếp với không khí trên đường tới xi lanh, trong bộ tăng áp bằng sóng khí, để nén số không khí này trước khi được nạp vào động cơ

1.1.2.3 Tăng áp hỗn hợp : Trên một số động cơ, ngoài phần tăng áp tua bin khí còn dùng thêm một bộ tăng áp dẫn động cơ khí Ví dụ trên động cơ hai kỳ, để có áp suất khí quét cần thiết khi khởi động cũng như chạy ở tốc độ thấp và tải nhỏ, phải sử dụng tăng áp hỗn hợp Tăng áp hỗn hợp được thực hiện theo hai phương án Lắp nối tiếp như trên hình 1.3 và lắp song song như trên hình 1.4

1.1.2.4 Tăng áp nhờ hiệu ứng động của dao động áp suất:

Lợi dụng hiện tượng lưu động không ổn định của dòng khí trên đường ống

Hình 1.3: Tăng áp hỗn

hợp mắc nối tiếp [10]

Hình 1.4: Tăng áp hỗn hợp mắc song song [10]

Trong thực tế sử dụng, ngoài bốn cách tăng áp chính kể trên còn có các hệ thống tăng áp và phương án tổ hợp khác thích hợp cho từng trường hợp cụ thể để thỏa mãn nhu cầu tăng áp cho động cơ

Trong đề tài này tăng áp cho động cơ sử dụng biện pháp bua bin - máy nén

1.1.3 Sự thay đổi hiệu suất cơ giới của động cơ trước và sau khi tăng áp

Sau khi tăng áp các thông số chỉ thị của động cơ thay đổi rất ít, nhưng các thông số có ích như hiệu suất có íche và suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge của động cơ thay đổi rất nhiều so với trước khi tăng áp Như vậy sự thay đổi các thông

số có ích như e và ge là do sự thay đổi của hiệu suất cơ giới m sau khi tăng áp gây

ra Tính chất thay đổi của hiệu suất cơ giới m sau khi tăng áp chủ yếu phụ thuộc vào hệ thống tăng áp Ta đều biết công suất tổn thất của động cơ Nm rất ít phụ thuộc vào phụ tải mà chủ yếu phụ thuộc vào số vòng quay của dộng cơ, vì vậy có thể giả thiết gần đúng rằng: sau khi tăng áp nếu số vòng quay n của động cơ vẫn giữ nguyên không đổi thì công suất tổn thất cơ giới của động cơ sẽ có giá trị giống như trường hợp chưa tăng áp mT được tính như sau:

T K m eT

eT iT

eT iT

eT mT

N N N N

N N

N p

trong đó: NK và NT - công suất của máy nén khí và tuốc bin khí;

PeT và PiT - áp suất có ích và áp suất chỉ thị trung bình của động cơ sau khi tăng áp ;

Nếu gọi

e eT e

eT T

N

N P

P





 ( khi n = const) là mức độ tăng áp của động cơ ( trong đó

pe và ne là áp suất có ích trung bình và công suất có ích của động cơ chưa tăng áp)

và gọi

i

K K

N



'

 công suất tương đối của máy nén khí và tuốc bin khí

so với công suất chỉ thị của động cơ chưa tăng áp, chia cả tử và mẫu cho biểu thức 1-4 cho Ni ta được

  ' '

1

T m

m T T

K m e T

e T mT

N N N N

Nếu động cơ tăng áp bằng thiết bị máy nén khí tuốc bin khí quay tự do thì

m T

mT  





 (1.3) Qua công thức (1.3) ta thấy khi dùng biện pháp tăng áp bằng thiết bị máy nén

tuốc bin khi quay tự do đã làm cho hiệu suất cơ giới mT tăng lên rõ rệt

Trong trường hợp tăng áp tuốc bin khí có liên hệ cơ giới hoặc thủy lực hoặc

trường hợp tăng áp hỗn hợp, thì hiệu suất cơ giới của toàn bộ thiết bị sau khi tăng áp

sẽ là:

T K mđ iT

T K eT mT

N

N N

       (1.4) Trong đó : K và T – công suất tương đối của máy nén khí tuốc bin khí so

với công suất chỉ thị của bản thân động cơ tăng áp

mđ – Hiệu suất của bản thân động cơ tăng áp qua công thức (1.4) ta thấy việc thay đổi về hiệu suất cơ giới của động cơ sau khi

tăng áp phụ thuộc vào K , T và sự thay đổi của mđ

1.2 Sự tương tác của cặp pittông - xilanh động cơ đốt trong

Để đảm bảo điều kiện làm việc bình thường của động cơ, giữa pittông và

xilanh bao giờ cũng có khe hở Tuy nhiên khi nghiên cứu về tương tác giữa pittông

và xilanh người ta đưa ra các mô hình nghiên cứu khác nhau Tuỳ theo mục đích

nghiên cứu mà người ta sử dụng các mô hình sau: Mô hình không có khe hở và

không có sự tương tác, mô hình có khe hở và không có sự tương tác, mô hình có

khe hở và có sự tương tác

1.2.1 Mô hình không có khe hở và không có sự tương tác

Mô hình này được xây dựng để khảo sát bài toán động học và động lực học cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền với giả thiết giữa pittông và xilanh không có khe hở, pittông và xilanh có độ cứng tuyệt đối, không có sự biến dạng trong quá trình làm việc (hình 1.5)

y 0

K

p A

Sy = A R (1.5) trong đó:

+ R- bán kính quay của trục khuỷu;

: hệ số kết cấu, là tỉ số giữa bán kính quay của khuỷu trục R và

chiều dài L thanh truyền

+  - góc quay của khuỷu trục so với đường tâm xilanh;

+  - góc nghiêng của đường tâm thanh truyền so với đường tâm xilanh;

Gia tốc của pittông là đạo hàm bậc hai của chuyển vị pittông theo thời gian:

Jy = R.2

.E, (1.6) trong đó:

cos

cos.cos

)cos(  

Các công thức (1.1) và (1.2) là công thức chính xác để tính Sy và Jy

Trong thực tế tính toán, người ta thường tính theo công thức gần đúng:

K = P1/cos (1.11) Lực K đặt tại tâm chốt khuỷu và được phân thành 2 thành phần:

Lực pháp tuyến Z = P1.





cos

)cos( 

(1.13)

Lực tiếp tuyến T tạo ra mômen xoắn để làm quay trục khuỷu Mx = T.R mômen này

sẽ cân bằng với mômen cản đặt trên trục khuỷu và làm thay đổi tốc độ góc của trục Lực ngang N tác dụng lên thân pittông, tạo ra mômen lật ML = N.H, tác dụng lên bệ động cơ, gây ra rung động và mất cân bằng

1.2.2 Mô hình có khe hở, không tương tác

Như đã trình bày ở trên, để pittông có thể dịch chuyển bên trong xilanh, giữa pittông và xilanh bao giờ cũng có khe hở Dưới tác dụng của lực ngang N sẽ làm cho thân pittông dịch chuyển theo phương ngang trong khe hở giữa pittông và xilanh Mặt khác do đặc điểm kết cấu và phương án lắp ghép giữa pittông với chốt pittông và đầu nhỏ thanh truyền mà thân pittông còn thực hiện chuyển động “lắc” xung quay tâm chốt pittông Như vậy ngoài chuyển động chính (chuyển động tịnh tiến dọc theo đường tâm xilanh), thân pittông còn tham gia 2 chuyển động phụ và chuyển động của thân pittông sẽ có 3 bậc tự do (hình 1.7)

Hình 1.6: Chuyển động của pittông trong khe hở giữa pittông – xilanh [7]

Để đặc trưng cho các chuyển vị ngang của thân pittông người ta sử dụng hai toạ độ suy rộng là et và eb, mô tả dịch chuyển ngang của các mặt phẳng phía trên của thân pittông (mặt AD) và mặt phẳng phía dưới của thân pittông (mặt BC) (hình 1.7)

Hình 1.7: Lực, mômen tác dụng lên pittông và chuyển động của pittông theo

phương x và hai toạ độ suy rộng et, eb [12]

Theo [5], [6], [10] phương trình vi phân mô tả chuyển động phụ của pittông khi có khe hở và không tương tác có dạng ma trận như sau:

a, b, H - các kích thước hình học của pittông (hình 1.3);

mp, mC - khối lượng của pittông, chốt pittông;

IP - mômen quán tính của khối lượng pittông so với khối tâm của pittông;



 

 - ma trận véc tơ gia tốc của các toạ độ suy rộng của thân pittông;

{Fpt}- ma trận véc tơ lực tác dụng lên pittông

1.2.3 Mô hình có khe hở, có tương tác

Phương trình (1.14) là phương trình vi phân mô tả chuyển động phụ của thân pittông khi có khe hở và không tương tác Để mô tả chuyển động phụ của thân pittông khi có tương tác phải bổ sung vào phương trình (1.14) lực tương tác giữa pittông và xilanh Mô hình khảo sát chuyển động phụ được xây dựng trên các giả thiết sau:

- Pittông chuyển động với 3 bậc tự do Chuyển vị của pittông theo phương đường tâm xilanh được xác định theo phương trình (1.5) hoặc (1.7) Chuyển vị của thân pittông theo phương ngang được tính toán theo toạ độ suy rộng et và eb tương ứng với các mặt phẳng ngang của thân pittông

- Xilanh có kết cấu vỏ trụ mỏng, được định vị trong thân máy bằng vành vai tựa Bỏ qua sự biến dạng của các vành vai tựa khi làm việc

- Màng dầu bôi trơn trong khe hở giữa pittông và xilanh là môi trường trung gian truyền lực tương tác giữa pittông và xilanh Chuyển động phụ của thân pittông gây

ra va đập giữa pittông và xilanh

Phương trình vi phân mô tả chuyển động phụ của thân pittông khi có tương tác được biểu diễn dưới dạng ma trận [6], [7], [12]:

FiN = Fđh + FC = - S[Kd(lt - XD)] - Cd(e t X D

 ) (1.16) Nếu điểm tiếp xúc là điểm trên ở mặt tiếp xúc dưới của thân (điểm C)

Trong những năm gần đây đã có nhiều công trình khoa học được công bố về

sự ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu và sử dụng đến sự tương tác giữa pittông và xilanh và ảnh hưởng của nó đến mức độ rung động, tiếng ồn và tuổi thọ của ống lót xilanh Trong các yếu tố về kết cấu, trước hết phải kể đến ảnh hưởng của độ lệch tâm chốt pittông, vị trí trọng tâm pittông và khe hở giữa pittông và xilanh [12]

Khe hở lắp ghép giữa pittông và xilanh được chọn theo nhiệt độ ban đầu khi tính toán thiết kế T0 = 15oC Khi động cơ làm việc, các chi tiết pittông và xilanh động cơ bị nung nóng và gây nên sự giãn nở dài vì nhiệt của vật liệu, làm cho khe

hở nhiệt giữa pittông và xilanh thay đổi, đặc biệt là trong trường hợp pittông và xilanh chế tạo bằng các loại vật liệu khác nhau Trong luận văn tác giả sẽ nghiên cứu về ảnh hưởng của phụ tải nhiệt, phụ tải cơ học ( áp suất khí cháy) của động cơ sau tăng áp đến sự tương tác giữa pittông và xi lanh động cơ đốt trong

1.3 Một số kết quả nghiên cứu trong nước

Từ những năm 90 của thế kỷ trước, các nhà khoa học Việt Nam đã bắt đầu chú ý đến nghiên cứu về dao động cơ cấu và máy Trong đó có thể kể đến các công trình nghiên cứu của GS Nguyễn Văn Khang và các cộng sự (ĐHBK Hà Nội) Các tác giả chủ yếu đưa ra các mô hình lý thuyết nghiên cứu động lực học máy Việc thiết lập và giải các phương trình vi phân chuyển động và dao động chủ yếu được tiến hành bằng giải tích với mô hình các cơ cấu hệ thống đơn giản, các cụm và cơ cấu phức tạp hơn chưa được đề cập nhiều

Đối với động cơ đốt trong, việc nghiên cứu hoàn thiện các cụm, cơ cấu cũng được đề cập trong một vài năm trở lại đây Trong đó, có thể kể đến đề tài nghiên cứu của Lương Công Nhớ (2000), Đại học Hàng hải Hải Phòng Nghiên cứu giảm rung cho động cơ D12 lắp trên tàu thuyền cỡ nhỏ, tác giả nghiên cứu lý thuyết cùng với thực nghiệm Về lý thuyết, nghiên cứu rà soát sự không đồng đều về khối lượng của pittông khi thiết kế động cơ, xác định các lực quán tính cấp 1, 2 của khối lượng các chi tiết chuyển động của pittông trong bốn xilanh và tính dao động của động cơ tổng thành do nguồn kích thích này trước và sau rà soát thiết kế Kết quả được chỉ

ra là sự không đồng đều của khối lượng nhóm pittông là một trong các nguyên nhân gây ra dao động động cơ

Năm 2001, Chu Văn Đạt ứng dụng mô hình siêu phần tử phẳng nghiên cứu động lực học cơ cấu tay quay con trượt có xét đến biến dạng đàn hồi của thành truyền, phương pháp PTHH được áp dụng để thiết lập các phương trình chuyển động của cơ cấu Thuật toán được thiết lập và sử dụng ngôn ngữ lập trình C++

để giải bài toán Kết quả nhận được ở dạng số và đồ thị là các thông số động lực học của cơ cấu tay quay con trượt như các thông số : vị trí, vận tốc, gia tốc của các khâu, lực liên kết tại các khớp, chuyển dịch của các điểm do biến dạng của các điểm thuộc thanh truyền đàn hồi Phần mềm Alaska version 2.3 được ứng dụng để mô phỏng động lực học cơ cấu tay quay con trượt trong quá trình nghiên cứu để minh chứng cho kết quả tính toán lý thuyết nêu trên Tác giả nhận xét rằng, trong một số

trường hợp biến dạng đàn hồi của một số khâu trong quá trình tính toán thiết kế máy

và cơ cấu là không thể bỏ qua

Năm 2005, Nguyễn Văn Đạt Trường Đại học thuỷ sản Nha Trang nghiên cứu dao động của tấm sàn composit cố định động cơ tàu thuỷ từ các nguồn kích thích trong động cơ như : các cơ cấu, cụm pittông-thanh truyền-tay quay Đề xuất các phương án giảm rung cho sàn động cơ Sử dụng phương pháp PTHH rời rạc hoá kết cấu tấm sàn động cơ, tải trọng tác dụng lên tấm là các nguồn kích thích từ động cơ như đã nêu, thuật toán và chương trình tính toán được giải thích bằng số trên máy tính Kết quả nhận được là dao động của sàn composit Khuyến nghị một số giải pháp giảm rung cho sàn cố định động cơ

Năm 2009, ThS Lê Trường Sơn, PGS.TS Trần Minh, PGS.TS Hà Quang Minh [8] nghiên cứu ảnh hưởng của khe hở đến sự tương tác của cụm pittông - xilanh động cơ

Năm 2010, KS Nguyễn Trung Kiên, PGS.TS Lại Văn Định [2] nghiên cứu ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương tác của cặp pittông - xilanh động cơ đốt trong

Như vậy, ở nước ta đến thời điểm này chưa tìm thấy một nghiên cứu sâu nào

về tương tác và biến dạng của cụm pittông - xilanh động cơ tăng áp kể đến sự thay đổi áp suất của khí cháy trong xilanh Do đó, việc tiếp cận các cơ sở lý thuyết và công cụ hiện đại để giải quyết vấn đề này là có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

1.4 Kết luận chương 1 và tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Qua việc tổng quan về vấn đề nghiên cứu, ta có thể rút ra một số kết luận sau:

 Chuyển động thực của pittông trong xilanh động cơ là chuyển động phức tạp, ngoài chuyển động chính, còn các chuyển động trong khe hở giữa chúng (chuyển động phụ) sinh ra lực va đập giữa pittông với thành xilanh Trong nhiều trường hợp, chuyển vị, vận tốc, gia tốc chuyển động phụ của pittông lớn lặp lại theo thời gian gây rung ồn cơ khí, mài mòn và ăn mòn xâm thực cụm pittông - xilanh, giảm tuổi thọ động cơ Đây là vấn đề trong thực tế kỹ thuật đặt ra nhiều bài toán cơ học cho các nhà thiết kế và khai thác sử dụng cần quan tâm nghiên cứu

 Việc nghiên cứu chuyển động phụ của pittông trong xilanh động cơ và sự tương tác giữa chúng được phát triển mạnh vào những năm 90 của thế kỷ trước, do sự phát triển của động cơ cao tốc, công suất trên một đơn vị công tác lớn và trọng lượng nhẹ Đã có nhiều công trình được công bố với những mô hình khác nhau Mỗi mô hình đều chấp nhận những giả thiết nhất định và đáp ứng các mục đích nghiên cứu riêng lẻ của từng tác giả và mang tính chất công bố nên không có được các thuật toán chi tiết, và được tạm chia theo ba mô hình đã nêu Tuy nhiên, với mô hình tương tác, hầu hết các nghiên cứu lý thuyết đều mô hình hoá dao động ngang của

cụm pittông - xilanh bằng các mô hình tương đương, chưa có lực thực của pittông

đặt lên thành xilanh

 Dựa trên mô hình có khe hở và không tương tác, tác giả phát triển mô hình tính toán tương tác bằng việc bổ sung lực tương tác giữa chúng thông qua môi trường trung gian là màng dầu, xilanh coi là vỏ trụ mỏng kết cấu đàn hồi tuyến tính

 Như chúng ta đã biết, sau khi nâng cao công suất của động cơ, một trong những việc cần quan tâm nhất là sự tương tác và biến dạng của cặp pittông - xilanh như thế nào? Đây chính là nội dung mà luận văn tập trung giải quyết

 Với những kết luận rút ra ở trên, trong nội dung luận văn của mình tác giả tập trung giải quyết những vấn đề sau: Đó là với sự tăng áp cho động cơ như vậy, nhiệt

độ môi chất có thay đổi không? Với nhiệt độ khí cháy thì khe hở giữa pittông và xilanh thay đổi thế nào trong quá trình làm việc? Áp suất trong xilanh trước và sau

tăng áp chênh lệch nhau nhiều không? Nếu chênh lệch nhiều thì pittông và xilanh biến dạng ra sao? Trạng thái ứng suất còn nằm trong giới hạn cho phép của vật liệu không?

Những nội dung này sẽ được tác giả giải quyết trong các chương tiếp theo của luận văn

1.5 Bố cục của luận văn

Luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận gồm 4 chương:

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN

NHIỆT ĐỘNG VÀ SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA PITTÔNG

VÀ XILANH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

2.1 Đặt vấn đề

Pittông và xilanh là những chi tiết có kết cấu phức tạp, chịu phụ tải lớn, đặc biệt là phụ tải nhiệt và phụ tải cơ (áp suất khí cháy) Vì vậy việc tính toán xác định trạng thái ứng suất nói chung và ứng suất do áp suất suất khí cháy nói riêng cho pittông, xilanh là một bài toán hết sức cần thiết cho việc tối ưu hoá kết cấu Để xác định trường ứng suất pittông và xilanh có nhiều phương pháp như: phương pháp giải tích, phương pháp gần đúng và phương pháp thực nghiệm

Trong quá trình tăng áp cho động cơ đốt trong, một trong những vấn đề cần quan tâm chủ yếu là sự tương tác và biến dạng của cặp pittông - xilanh Đây cũng chính là nội dung chính của luận văn

Việc giải bài toán này dù tiến hành bằng phương pháp nào thì cũng phải dựa trên cơ sở xây dựng mô hình toán học để tính toán Trước đây việc xây dựng mô hình toán học của các chi tiết động cơ thường chỉ dừng lại mô hình bài toán phẳng (2D) Hiện nay, do sự phát triển của công nghệ thông tin và các phương pháp tính toán hiện đại, mô hình 3D đã được ứng dụng rất rộng rãi để giải các bài toán kỹ thuật và có thể dùng cho việc tính toán trường ứng suất của pittông và xilanh động

bao kín Phần thân có nhiệm vụ dẫn hướng cho pittông chuyển động trong xilanh và chịu tác dụng của lực ngang N

Ø149.45 -0.05

R4

R69 R67.5

R8

36.31 R27.5A7 +0.74

R35 +0.5-0.5

Hình 2.1: Kết cấu pittông động cơ D6

Pittông của động cơ thường có tính lặp theo quỹ đạo tròn và tính đối xứng mặt (đối xứng gương) Nên trong tính toán, để kết quả có độ chính xác cao, mô hình

hình học pittông chỉ cần mô hình hoá phần đặc trưng đó của kết cấu

2.2.2 Mô hình hình học ống lót xilanh

Xilanh động cơ đốt trong có dạng hình trụ, kết cấu gồm các phần chính như: mặt gương (xilanh) tiếp xúc với môi chất công tác, chịu ma sát với xéc măng và phần thân pittông Mặt ngoài xilanh tiếp xúc trực tiếp với nước làm mát

R2

Ø157 +0.2

100°

Hình 2.2: Kết cấu xilanh động cơ D6

Xilanh của động cơ có tính đối xứng trục, nên trong tính toán, để kết quả có

độ chính xác cao, mô hình hình học có thể đại diện bởi một mặt cắt ngang bất kỳ đi qua trục đối xứng Do đó chúng ta sẽ sử dụng một lát mỏng 2D để thể hiện cả 3600của mô hình

2.3 Mô hình tương tác giữa pittông - xilanh động cơ đốt trong

Việc nghiên cứu chuyển động của pittông trong xilanh động cơ và sự tương tác giữa chúng khi kể đến ảnh hưởng của phụ tải nhiệt, phụ tải cơ ( áp suất khí cháy) như đã nêu trên là có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao Khảo sát sự tương tác giữa pittông và xilanh thường được tiến hành trên ba mô hình: không có khe hở và không tương tác; có khe hở và không tương tác; có khe hở và có tương tác Tuỳ theo mục đích nghiên cứu để lựa chọn mô hình, trong nội dung luận văn của mình tác giả lựa chọn mô hình có khe hở và có tương tác Mô hình tương tác giữa pittông và xilanh được giới thiệu trên hình 2.3 [6], [7], [8], [12]

Hình 2.3: Mô hình tương tác giữa thân pittông và thành xilanh [6], [7], [8], [12] Các giả thiết đặt ra nghiên cứu như sau:

- Pittông chuyển động với 3 bậc tự do trong xilanh Chuyển động của tâm chốt pittông theo phương y là đã biết quy luật và được xác định bằng các phương trình (1.5), (1.6) và (1.7) Chuyển động của thân pittông theo phương ngang, được chọn theo hai toạ độ suy rộng là et, eb Hình 2.3a

- Xilanh coi là vỏ trụ mỏng kết cấu đàn hồi tuyến tính, được rời rạc hoá bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH) với các phần tử hình chữ nhật, số các PTHH của kết cấu xilanh nằm trên quỹ đạo di chuyển của lực tương tác ở hai bên thành xilanh, trực tiếp nhận lực tương tác được chọn sao cho mặt phẳng phần tử vuông góc với phương tác dụng của lực tương tác (lực tương tác chỉ gây uốn phần tử) Xilanh được cố định trong khối thân máy với các dạng liên kết khác nhau (vị trí của các gối tựa của xilanh trên thân máy là bất kì) Bỏ qua biến dạng tại các gối tựa của xilanh trên thân máy

một tấm chữ nhật có liên kết với nền qua phần tử đàn hồi hệ số kn (hệ số nền) Phần

tử đàn hồi kn có phương vuông góc với mặt phẳng phần tử

- Màng dầu bôi trơn giữa thân pittông và thành xilanh là môi trường trung gian truyền lực tương tác giữa chúng Chuyển động phụ của pittông gây ra lực ép và lực

va đập giữa thân pittông với thành xilanh Khi không có va đập (khi pittông ép về từng phía với thành xilanh), lực tương tác giữa chúng truyền qua màng dầu được thay thế bằng phần tử cản nhớt tuyến tính hệ số cd Hình 2.3a lực tương tác được xét trong mặt phẳng chứa đường tâm xilanh và vuông góc với trục chốt pittông (mặt phẳng lắc của thanh truyền - mặt phẳng mà tương tác giữa chúng là lớn nhất [6], [7], [8], [12] Hình 2.3b khi có va đập (khi pittông xoay trong khe hở), lực tương tác được thay thế bằng phần tử cản hệ số cản cd và phần tử đàn hồi với hệ số đàn hồi kd

- Bài toán được nghiên cứu với các giả thiết gồm: Chế độ tốc độ động cơ  không đổi, bỏ qua ảnh hưởng của xéc măng đến chuyển động phụ của pittông

- Tương tác giữa thân pittông với phần tử kết cấu xilanh theo phương ngang sẽ được

mô tả trên cơ sở thiết lập phương trình vi phân dao động của pittông cùng với dao động của một phần tử kết cấu xilanh trực tiếp tương tác với pittông Phương trình dao động của pittông và phần tử kết cấu xilanh có các ma trận mô tả tương tác, chứa khối lượng của pittông, xilanh và liên kết đàn hồi cản nhớt, véc tơ tải trọng nút phụ thuộc vào thời gian và hành trình chuyển động của pittông theo phương y Nghĩa là,

hệ phương trình dao động của pittông và phần tử kết cấu xilanh có chứa các thành phần dịch chuyển của cả pittông và xilanh theo phương ngang, thể hiện tính chất tương tác giữa chúng Việc tập hợp các ma trận phần tử được thực hiện theo thuật toán chung của PP PTHH

2.4 Phương trình tương tác giữa thân pittông với thành xilanh

Để làm cơ sở cho việc thiết lập phương trình dao động ngang của cụm pittông - xilanh, mục này trình bày việc thiết lập phương trình mô tả dao động của thân pittông với một phần tử kết cấu xilanh trực tiếp tiếp xúc và tương tác với pittông [6], [7], [8], [12]

Hình 2.4: Xilanh được rời rạc hoá bằng PTHH với các phần tử chữ nhật-Phần tử

chữ nhật kết cấu xilanh trên nền đàn hồi [6], [7], [8], [12]

Mỗi mảng cong của phần tử kết cấu xilanh được xấp xỉ bằng một phần tử gồm 4 nút đồng phẳng Xét phần tử chữ nhật trên hình 2.4, có kích thước axb, chiều dày h, môđun đàn hồi E, hệ số Poát xông , khối lượng riêng  Phần tử kết cấu xilanh (các phần tử nằm trên quỹ đạo di chuyển của lực tương tác dọc theo hai phía của thành xilanh) trực tiếp nhận lực tương tác được chọn sao cho mặt phẳng phần tử vuông góc với phương tác dụng của lực tương tác (chỉ gây uốn phần tử) Điểm đặt lực tương tác trên thành xilanh, trong hệ toạ độ cục bộ của phần tử vị trí (, ) (với

=const, (t)) theo quỹ đạo là đường thẳng

Hình 2.5: Tương tác giữa thân pittông với phần tử kết cấu xilanh

Trong biểu thức (1.16), XD, X D



tương ứng là dịch chuyển và vận tốc theo phương vuông góc với mặt phẳng phần tử kết cấu xilanh, điểm D (điểm đặt lực tương tác trên thành xilanh – khi điểm D trên thân pittông tiếp xúc với thành xilanh) Hình 2.4, sử dụng hàm dạng của phần tử kết cấu xilanh (phần tử vỏ, thành phần uốn), ta có:

XD = [N(, (t))]{qe}; X D



= [N(, (t))]{

e q



}; (2.1) Thay (2-1) vào (1-16) ta được:

F1N = - s [kd(et - [N(, (t))]{qe})] - cd(e t



- [N(, (t))]{

e q



}); (2.2) Như vậy, phương trình (2.2) mô tả lực tương tác giữa thân pittông với phần tử kết cấu xilanh qua môi trường trung gian là màng dầu, trong đó đã thấy xuất hiện chuyển vị uốn của thành xilanh thông qua hàm dạng N(, (t)), mà lực tương tác

F1N được bổ sung vào phương trình chuyển động phụ của pittông (1.14) Điều này, bước đầu thể hiện tính chất tương tác giữa thân pittông với thành xilanh

Lực tương tác giữa thân pittông với phần tử kết cấu xilanh có phương vuông góc với mặt phẳng phần tử, có điểm đặt di động qua lại dọc theo quỹ đạo là đường thẳng đứng về hai phía với thành xilanh (phương Oy, toạ độ =const), quy luật chuyển động của điểm đặt được mô tả bằng hàm (t), phụ thuộc vào hành trình chuyển động chính của pittông theo phương y, đã được xác định ở mục trên

+ [mpt], [m1] - lần lượt là ma trận khối lượng của pittông, ma trận hàng thứ nhất của pittông

(x - , y - ) = 0; khi x , y ; (2.10)

(x - , y - ) = ; khi x = , y = ; (2.11)

y, t) trên phần tử theo công thức:

N x y F t  x y dxdy

trong đó: [N(, (t))] là ma trận các hàm dạng của phần từ ở trạng thái uốn

Theo tính chất của hàm Delta-Dirac (2.13), thì (2.14) trở thành:

{Fe} = [N(, (t))]T F1N(t); (2.15) Thay (2.8) vào (2.15) ta có:

e M

 ,  C0e , K0e, N( , ( ))  t  tương ứng là ma trận khối lượng, ma trận cản, ma trận độ cứng của bản thân phần tử kết cấu xilanh chịu uốn, cấp 12x12 và hàm dạng ma trận các hàm dạng của phần tử đối với chuyển vị uốn của phần tử, đã được xác định trong các tài liệu về phần tử hữu hạn

- Ma trận khối lượng của phần tử tấm uốn 0e

 của bản thân phần tử tấm uốn Cũng theo thì việc xác định

ma trận này là tương đối phức tạp, nên thường được xác định thông qua ma trận khối lượng và ma trận cản theo trình tự sau:

Coi  C0e là tổ hợp tuyến tính của các ma trận M0e, K0e:

0

e C

e M

 + 0

e K

 ; (2.19) trong đó: + ,  - hằng số giảm chấn Reyleigh;

+  0e M

  - ma trận cản khối lượng (quán tính);

+  0e K

3 3 3

d c

Từ phương trình (2.21), ta thấy rằng phương trình có các ma trận và véctơ tải trọng nút không liên quan và có liên quan đến tương tác giữa thân pittông với thành xilanh, gồm:

- Các ma trận không liên quan đến tương tác với pittông:

0

e M

 =  

 

0 0

 =  

 

0 0

Như vậy, các ma trận (2.22), (2.23) không liên quan đến tương tác với pittông là các

ma trận khối lượng, ma trận độ cứng, ma trận cản của bản thân phần tử hữu hạn kết cấu xilanh (phần tử tấm uốn) đã được xác định, theo (2.21) và dựa trên các tài liệu

về PTHH

- Các ma trận liên quan đến tương tác giữa thân pittông và phần tử hữu hạn kết cấu xilanh, trong (2.21) gồm:

e p M

 ( , ( ))  1

pt T m





; (2.24)

e p C

 =

0000

d c

 =

0000

 , e

p C

 , e

p K

  - tương ứng là các ma trận khối lượng, ma trận cản, ma trận độ cứng không liên quan và liên quan đến tương tác

Nhận xét và đánh giá:

Qua kết quả thu được từ việc thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả dao động ngang của pittông với một phần tử kết cấu xilanh, có thể đưa ra một vài đánh giá và nhận xét như sau:

- Hệ phương trình mô tả dao động của một phần tử kết cấu xilanh (2.17) với véctơ tải trọng nút cho bởi (2.16) có chứa các véctơ gia tốc của các toạ độ suy rộng

của pittông   e e t

b e



Mặt khác, phương trình vi phân dao động của pittông

(1.15) với lực tương tác F1N xác định theo (2.8) lại chứa véctơ chuyển vị, vận tốc

nút  e

q ,

e q

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN SỰ BIẾN DẠNG VÀ SỰ TƯƠNG TÁC CỦA CẶP PITTÔNG - XILANH ĐỘNG CƠ SAU TĂNG ÁP

3.1 Đối tượng và công cụ khảo sát

3.1.1 Đối tượng khảo sát

Động cơ D6 nguyên thuỷ là loại động cơ diezen 4 kỳ không tăng áp, 1 hàng

6 xi lanh có thứ tự làm việc 1- 5 - 3 - 6 - 2- 4 Động cơ có buồng cháy thống nhất, bôi trơn bằng phương pháp tuần hoàn cưỡng bức kết hợp vung té, làm mát bằng nước kiểu tuần hoàn cưỡng bức, không dùng quạt gió làm mát mà lợi dụng động năng của dòng khí xả để tạo dòng khí lưu động qua két mát để làm mát nước

Động cơ D6 được sử dụng trên xe Tăng PT-76 và được đặt dọc theo thân xe trong khoang động lực, có vách ngăn với khoang chiến đấu

Hình 3.1: Mặt cắt ngang động cơ D6

Hình 3.2: Bố trí động cơ D6 trong khoang động truyền lực