đồ án kỹ thuật cơ khí Nghiên cứu sự tương tác và biến dạng của cặp pittông - xilanh động cơ đốt trong khi tăng áp

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. 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. 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 p k 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 p e thường không quá 0,7 - 0,9 Mpa thì p e của động cơ điêden tăng áp thấp nhất cũng đạt 1-1,2 Mpa, nếu nâng cao áp suất p k và làm lạnh trung gian cho không khí phía sau máy nén, đã có thể đưa áp suất có ích trung bình p e của động cơ thực nghiệm tới 4 Mpa, còn nhiều động cơ tăng áp đang chế tạo hiện nay đã đạt p e ≥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: 2 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 p k > p o rồi 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 3 Hình 1.1: Tăng áp dẫn động cơ khí 1- Máy nén ; 2 - Hệ thống truyền động ; 3- làm mát trung gian ; 4- bộ chế hòa khí; 5 - xăng Hình 1.2: Các phương pháp tăng áp tua bin khí [10] a) Phương pháp tăng áp động cơ điêden b),c) Phương pháp tăng áp động cơ xăng 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 dẫn, do tính gián đoạn của các quá trình nạp, thải của động cơ gây ra bằng cách bố trí hợp lý kích thước các đường nạp và thải nhằm làm tăng không khí nạp vào xi lanh mỗi chu trình. 4 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 η e và suất tiêu hao nhiên liệu có ích g e của động cơ thay đổi rất nhiều so với trước khi tăng áp. Như vậy sự thay đổi các thông số có ích như η e và g e là do sự thay đổi của hiệu suất cơ giới η m sau khi tăng áp gây ra. Tính chất thay đổi của hiệu suất cơ giới η m sau khi tăng áp chủ yếu phụ thuộc vào hệ thống tăng áp. Ta đều biết công suất tổn thất của động cơ N m 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 η mT được tính như sau: TKmeT eT iT eT iT eT mT NNNN N N N p p −++ === η ; (1.1) trong đó: N K và N T - công suất của máy nén khí và tuốc bin khí; P eT và P iT - 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 == λ ( khi n = const) là mức độ tăng áp của động cơ ( trong đó p e và n e là áp suất có ích trung bình và công suất có ích của động cơ chưa tăng áp) và gọi i K K N N = ' δ và i T T N N = ' δ 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 N i ta được ( ) '' 11 TKTm mT TKmeT eT mT NNNN N δδηη ηλ λ λ η −++− = −++ = (1.2) 5 Nếu động cơ tăng áp bằng thiết bị máy nén khí tuốc bin khí quay tự do thì η ’ K = η ’ T do đó : ( ) 11 +− = Tm mT mT λη ηλ η (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 η 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: TKmđ iT TKeT mT N NNN δδηη +−= +− = (1.4) Trong đó : η K và η 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 η 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 η K , η T và sự thay đổi của η 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. 6 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). x ' K p '' K N P 1 T K Z y 0 K p A β α B ω O Hình 1.5: Mô hình tương tác giữa pittông - xilanh khi không có khe hở và không tương tác [7], [10], [12]. Trong trường hợp này, chuyển động của pittông chỉ có một bậc tự do, đó là chuyển động tịnh tiến qua lại của pittông dọc theo đường tâm xilanh (chuyển động chính) theo quy luật: S y = A. R (1.5) trong đó: + R- bán kính quay của trục khuỷu; + A = (1- cosα) + )cos1( 1 β λ − ; + λ = L R : hệ số kết cấu, là tỉ số giữa bán kính quay của khuỷu trục R và chiều dài L thanh truyền. + α - góc quay của khuỷu trục so với đường tâm xilanh; 7 + β - 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: J y = R.ω 2 .E, (1.6) trong đó: E = β αλ β βα 3 2 cos cos. cos )cos( + + Các công thức (1.1) và (1.2) là công thức chính xác để tính S y và J y . Trong thực tế tính toán, người ta thường tính theo công thức gần đúng: S y ≈ R[(1- cosα) + 4 λ (1- cos2α)] J y ≈ R.ω 2 (cosα + λ.cos2α) (1.7) Lực quán tính của các khối lượng tham gia chuyển động tính tiến của cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền giao tâm được tính theo công thức chính xác (1.7) hoặc tính theo công thức gần đúng (1.9). P j = - m j Rω 2 E (1.8) P j ≈ - m j Rω 2 (cosα + λ.cos2α) (1.9 Áp suất lực khí thể tác dụng lên pittông được xác định bằng hiệu số giữa áp suất phía trên đỉnh pittông ' p k và phía dưới pittông " p k p k = ' p k - " p k Hợp lực 1 P của các lực p k và j P tác dụng lên pittông và đặt tại trọng tâm của khối lượng chuyển động tịnh tiến (điểm A hình 1.5) và được phân thành 2 thành phần: Lực vuông góc với đường tâm xilanh: N = 1 P .tgβ (1.10 Lực tác dụng theo đường tâm thanh truyền: K = 1 P /cosβ (1.11) Lực K đặt tại tâm chốt khuỷu và được phân thành 2 thành phần: Lực tiếp tuyến T = 1 P . β βα cos )sin( + (1.12) 8 Lực pháp tuyến Z = 1 P . β βα cos )cos( + (1.13) Lực tiếp tuyến T tạo ra mômen xoắn để làm quay trục khuỷu M x = 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 M L = 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 e t và e b , 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) 9 Hình 1.7: Lực, mômen tác dụng lên pittông và chuyển động của pittông theo phương x và hai toạ độ suy rộng e t , e b [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: (1 ) (1 ) ( )(1 ) p c P p b a m m H H I b m a b H H  − + −    + − −   ( ) p c p p b a m m H H I b m a b H H  +    − + −   { } { e e t e b •• •• ••           = N f N f F pt F F tg M M φ             +     +     ∑ ∑ 1 4 4 2 4 4 3 ; (1.14) [m pt ] trong đó: a, b, H - các kích thước hình học của pittông (hình 1.3); m p , m C - khối lượng của pittông, chốt pittông; I P - mômen quán tính của khối lượng pittông so với khối tâm của pittông; [m pt ] = (1 ) (1 ) ( )(1 ) p c P p b a m m H H I b m a b H H  − + −    + − −   ( ) p c p p b a m m H H I b m a b H H  +    − + −   - ma trận khối lượng của pittông và chốt pittông; 10 [...]... xây dựng mô hình tính toán nhiệt động, sự tương tác giữa pittông và xilanh động cơ đốt trong Chương 3: Tính toán sự biến dạng và sự tương tác của cặp pittông - xilanh động cơ sau tăng áp Chương 4: Kết luận và kiến nghị 17 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... [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. .. 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. .. hiện sự tương tác giữa thân   pittông và thành xilanh - Hệ phương trình (2.28) có dạng là phương trình vi phân tuyến tính hệ số phụ thuộc vào thời gian, vì trong đó có các ma trận chứa đại lượng (ξ, η(t)) (vị trí đặt lực tương tác - lực tương tác có điểm đặt di động) phụ thuộc vào quy luật chuyển động của pittông theo phương y 30 CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN SỰ BIẾN DẠNG VÀ SỰ TƯƠNG TÁC CỦA CẶP PITTÔNG - XILANH. .. 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... 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. .. 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]: b... 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 cơ đốt trong 2.2 Mô hình hình học cặp pittông và xilanh động cơ khảo sát 2.2.1 Mô hình hình học pittông Pittông động cơ là chi tiết có kết cấu phức... 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. .. 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: Mở đầu: 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 Chương 2: Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình tính toán nhiệt . 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. tăng áp động cơ, sự tương tác của cặp pittông- xilanh động cơ đốt trong và tổng quan về vấn đề nghiên cứu. Chương 2: Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình tính toán nhiệt động, sự tương tác giữa pittông. tác giữa pittông và xilanh động cơ đốt trong. Chương 3: Tính toán sự biến dạng và sự tương tác của cặp pittông - xilanh động cơ sau tăng áp. Chương 4: Kết luận và kiến nghị. 16 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT