XÁC ĐỊNH vị TRÍ KHOAN lỗ lắp đầu nội SOI BUỒNG CHÁY TRÊN nắp máy ĐỘNG cơ AVL 5402 BẰNG PHẦN mềm CATIA

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ KHOAN LỖ LẮP ĐẦU NỘI SOI BUỒNG CHÁY TRÊN NẮP MÁY ĐỘNG CƠ AVL 5402 BẰNG PHẦN MỀM CATIA Nguyễn Đức Khánh, Nguyễn Duy Vinh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tóm tắt Bài báo trình bày kết nghiên cứu xác định vị trí khoan lỗ lắp đầu nội soi để quan sát buồng cháy nắp máy động nghiên cứu AVL 5402 Nghiên cứu sử dụng cơng cụ phân tích kết cấu phần mềm Catia dựa phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method-FEM) Đối tượng nghiên cứu động mẫu AVL 5402 hãng AVL, Cộng hòa Áo Kết lựa chọn lỗ khoan lắp đầu nội soi loại M14 có đường kính 8mm Vị trí lỗ khoan không gây ảnh hưởng tới phận hay hệ thống khác nắp máy đường nước, cấu phối khí, đường nạp, thải… Kết tính toán kiểm nghiệm cho thấy ứng suất tổng lớn nắp máy 3,91.107N/m2 chuyển vị lớn 0,0197mm Các giá trị nhỏ nhiều so với giá trị giới hạn vật liệu chế tạo nắp máy, nắp máy đảm bảo độ bền sau khoan lỗ lắp đầu nội soi Từ khóa: phương pháp phần tử hữu hạn, FEM, nắp máy, động đốt trong, động cháy nén, chia lưới GIỚI THIỆU CHUNG Ngày có nhiều phần mềm hỗ trợ cho công việc người kỹ sư thiết kế trở nên thuận lợi tiết kiệm nhiều thời gian Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật ngày cao, máy móc phức tạp cần phần mềm có khả tích hợp nhiều chức năng, xử lí đơn giản, giao diện dễ sử dụng, tiết kiệm nhiều thời gian kinh tế sản xuất Catia phần mềm thiết kế mô 3D kỹ sư Hoa Kỳ xây dựng để hỗ trợ người học tập công việc thiết kế chi tiết cấu máy, mô chi tiết kiểm tra độ bền chúng trước đưa vào sản xuất Với nhiều ưu điểm phần mềm thiết kế khác nên nay, Catia sử dụng nhiều lĩnh vực khác nhiều chuyên ngành điện, thủy lực, khí đặc biệt lĩnh vực động đốt Xét ngành khí, trước sử dụng chương trình MasterCAM, Cimatron, EdgeCAM, Pro Engineer chủ yếu để gia công khuôn, SolidWork, SolidEdge, Mechanical Desktop, Inventor thiết kế 3D, lắp ráp, mô chuyển động tính tốn, phân tích ảnh hưởng nhiệt độ lên phần sản phẩm, khảo sát biến dạng vật thể tác động ngoại lực Các phần mềm trọn gói thường ưu tiên sử dụng khả đáp ứng nhiều công việc để nhân viên làm cơng đoạn riêng biệt Sau đó, qua phận cuối tổng hợp để dễ bảo mật với nhiều yếu tố khác thuận lợi quản lý sản xuất Tại Việt Nam, khí hóa tự động hóa có bước phát triển định việc mơ tính tốn thiết kế sản phẩm trước đưa vào sản xuất thường chưa khảo sát kỹ Để tính tốn thiết kế thường dùng phương pháp phần tử hữu hạn FEM (Finite Element Method) FEM phương pháp tính tốn có trợ giúp máy tính, ngày sử dụng rộng rãi, thay sử dụng chương trình chuyên dùng Ansys hay Angor để giải tốn này, sau liên kết với chương trình Cad-Cam để tạo trình mơ khó thực Với kỹ sư ngồi xí nghiệp, họ có khuynh hướng dùng phần mềm có cơng cụ tính tốn FEM tích hợp sẵn chương trình để việc tính toán, thiết kế dễ dàng Catia chương trình thiết kế 3D mạnh sử dụng nhiều lĩnh vực, ngành nghề thiết kế khác khí, cơ-điện tử, điện-điện tử, tự động hóa, giao thơng, kiến trúc… Ngồi chức thiết kế khí vẽ phác, biên dạng, thiết kế tấm, lắp ráp, gia công phân khuôn, Catia có chức chun sâu thiết kế biên dạng phức tạp, số hóa tối ưu biên dạng bề mặt… tính hữu hiệu lĩnh vực thiết kế ô tơ, động Hình Lắp đầu nội soi Endocope M14 vào nắp máy động Phần mềm Catia sử dụng nhiều tính tốn thiết kế kiểm nghiệm chi tiết động đốt piston, truyền, trục khuỷu, nắp máy, thân máy… Ngồi ra, cơng cụ sử dụng để tối ưu hóa kết cấu chi tiết máy Cùng với phát triển khoa học công nghệ, kết cấu động ngày trở nên hoàn hảo hơn, kích thước chi tiết nhỏ gọn mà đảm bảo yêu cầu kĩ thuật công nghệ Tuy nhiên công việc nghiên cứu chuyên sâu cần phải có can thiệp vào kết cấu chi tiết động Ví dụ lắp đầu nội soi để chụp hình ảnh bên buồng cháy động thể Hình Hệ thống Visioscope cung cấp hãng AVL Cộng hòa Áo [6] cho phép nghiên cứu số vấn đề sau: - Chuyển động xupáp cấu dẫn động xupáp; - Quá trình phun nhiên liệu, tượng nhỏ giọt vòi phun, trình hòa trộn nhiên liệu khơng khí; - Hiện tượng cháy, lan truyền màng lửa, kích nổ, đánh lửa bugi Việc chọn vị trí lắp đầu nội soi phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: kết cấu nắp máy, phương pháp đốt nhiên liệu, phân vùng áp suất, nhiệt độ buồng cháy Hình thể vị trí tương quan chi tiết vòi phun, đầu nội soi phạm vi quan sát đầu nội soi buồng cháy Hình cho thấy vị trí lắp đầu nội soi không phụ thuộc vào kết cấu cụ thể nắp máy mà phụ thuộc vào hình dáng buồng cháy (là đối tượng cần quan sát), vị trí vòi phun chùm tia phun nhiên liệu Vòi phun Đầu nội soi Tia nhiên liệu Góc quan sát Hình Phạm vi quan sát đầu nội soi Ngồi việc quan sát buồng cháy, q trình phun, hình thành hỗn hợp, cháy… đầu nội soi phải có vị trí khơng gây ảnh hưởng đến hành trình dịch chuyển piston, tia nhiên liệu phun vào buồng cháy, kích thước phần đầu hướng vào buồng cháy khơng gây ảnh hưởng tới tỷ số nén động Đặc biệt, tìm vị trí khoan lỗ nắp máy động sẵn có để lắp đầu nội soi gặp phải số khó khăn sau: - Muốn quan sát trình bên buồng cháy cách rõ nét vị trí đầu nội soi phải hướng thẳng vào buồng cháy Điều gặp số khó khăn mà phần lớn đỉnh piston thực tế khơng có hình dạng phẳng (nhất với động diesel) Đơn cử đỉnh piston dạng omega Hình Để Hình Vị trí hướng đầu nội soi đỉnh piston không gây cản trở cho việc quan sát vào đỉnh piston dạng omega đầu nội soi vị trí lắp đầu nội soi phải hướng vào phần lõm buồng cháy - Đường kính đầu nội soi khơng lớn cần có ống bảo vệ làm mát có kích thước tương đối lớn Do vậy, việc tìm vị trí khoan khơng ảnh hưởng đến hệ thống làm mát, bơi trơn, phối khí trở lên khó khăn - Sau khoan, độ bền chi tiết bị ảnh hưởng Do đó, phải lựa chọn vị trí khoan thích hợp tiến hành kiểm nghiệm bền sau khoan Trong nghiên cứu này, nắp máy động AVL 5402 [3] khảo sát lựa chọn vị trí khoan lỗ để lắp đầu nội soi AVL 5402 động diesel hãng AVL, động xylanh, sử dụng nghiên cứu chuyên sâu lĩnh vực động đốt Việc khoan lỗ để lắp đầu nội soi có ý nghĩa quan trọng nghiên cứu trình cháy động Tuy nhiên, kết cấu nắp máy phức tạp bố trí chi tiết xupáp, vòi phun, đường nước làm mát, đường dầu, đường nạp thải nên việc lựa chọn vị trí khoan lỗ khó khăn Do đó, nghiên cứu thơng qua cơng cụ mơ 3D giúp ích nhiều trước tiến hành khoan nắp máy thực tế Nội dung báo tập trung khai thác cơng cụ xây dựng tính tốn kết cấu phần mềm Catia Tuy nhiên, nghiên cứu đảm bảo tính khoa học phân tích trạng thái nắp máy để lựa chọn phương án khoan, vị trí khoan lỗ thích hợp; kích thước lỗ khoan phù hợp để lắp đầu nội soi Nghiên cứu đưa vị trí khoan thích hợp, chi tiết nắp máy bảo đảm độ bền nhiệt sau khoan Kết báo có giá trị tham khảo nghiên cứu thiết kế cơng cụ máy tính nghiên cứu chuyên sâu liên quan tới vấn đề quan sát trình hình thành hỗn hợp cháy động NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Xây dựng mơ hình 3D nắp máy Động AVL 5402 động xylanh, sử dụng cấu phân phối khí xupáp treo Nắp máy (Hình 4) bố trí xupáp, gồm nạp thải Ngoài ra, nắp máy bố trí vòi phun, đường nạp, đường thải, đường nước làm mát, đường dầu bôi trơn chi tiết khác cấu Hình Nắp máy động AVL 5402 phối khí Trên sở đo đạc kết cấu thực tế dựa vào vẽ quy lát, kết cấu nắp máy xây dựng phần mềm Catia thể Hình Quá trình xây dựng thực nhờ công cụ đồ họa vẽ đường, mặt, khối, khoét lỗ, vát mép, … Hình Các hình chiếu nắp máy xây dựng Catia 2.2 Lựa chọn vị trí khoan lỗ Đầu nội soi hãng AVL cung cấp có hai loại M10 M14 Loại M10 u cầu lỗ khoan có đường kính 4mm loại M14 dùng cho lỗ khoan có đường kính 7mm Mỗi loại có kiểu đầu nội soi với góc quan sát 0o, 30o 60o thể Hình Tùy theo kết cấu buồng cháy, sử dụng đầu này, ta quan sát Hình Các loại đầu nội soi với góc quan sát 0o, 30o 60o tồn không gian bên buồng cháy Đầu nội soi loại M10 sử dụng trường hợp không gian bố trí lắp đặt đầu đo bị hạn chế Đầu nội soi M14 sử dụng rộng rãi cứng vững đường truyền ánh sáng tốt Tuy nhiên, u cầu khơng gian bố trí đầu nội soi loại M14 rộng Để lắp đầu cảm biến nội soi vào nắp máy phải chọn vị trí khoan thích hợp Trong q trình làm việc, nắp máy đầu nội soi phải đảm bảo độ bền, đồng thời đầu nội soi phải hướng thẳng vào trung tâm buồng cháy để quan sát trình cháy động piston lên điểm chết Theo Hình 7, khoan nắp máy vùng (1) (2) Khi khoan hai vùng này, đầu nội soi nằm khơng gian buồng cháy, Hình Vùng khoan (1) (2) thực việc quan sát cho hình ảnh tốt Ngồi yêu cầu vị trí khoan phải đảm bảo quan sát buồng cháy cách rõ ràng, không ảnh hưởng đến hệ thống khác yêu độ bền khả gia công lỗ vô quan trọng Có số phương án khoan sau: - Khoan thẳng đứng: có ưu điểm độ xác phép đo cao nhược điểm vướng vào trục cam, xupáp, đường nạp thải Phương án không phù hợp với nắp máy động AVL 5402 - Khoan ngang từ bên thành nắp máy: thích hợp với loại buồng cháy phụ, độ xác đạt cao Phương án không phù hợp với nắp máy động AVL 5402 - Khoan chéo: hạn chế tối đa ảnh hưởng đến đường nạp, đường thải, đường nước làm mát… làm việc chi tiết cấu phối khí Nếu chọn vị trí thích hợp khơng ảnh hưởng đến sức bền nắp máy Trong trình làm việc, đầu nội soi tiếp xúc với sản vật cháy nên có tượng bám két muội than làm giảm khả quan sát đầu nội soi, đặc biệt động diesel có hàm lượng muội than cao Để thuận lợi cho trình nghiên cứu, đầu nội soi ống bảo vệ phải lắp vị trí dễ dàng tháo lắp để làm đầu nội soi Để đảm bảo khơng ảnh hưởng tới chi tiết xupáp, vòi phun độ bền cần có khoảng cách an toàn, đặc biệt nắp máy chi tiết chịu tác động lực khí thể nhiệt độ cao Khoảng an toàn phụ thuộc vào kết cấu buồng cháy, vị trí xupáp nạp, thải vòi phun, áp suất cực đại khí thể Dựa vào số tài liệu tham khảo liên quan, lựa chọn khoảng cách an toàn tối thiểu a=3mm, sở lựa chọn đường kính lỗ khoan 8mm để lắp đầu nội soi loại M14 (Hình 8) Hình Khoảng cách an tồn khoan làm việc Hình Mặt cắt vị trí khoan khơng ảnh hưởng đến đường nước, đường thải, nạp Để đảm bảo vị trí khoan không ảnh hưởng đến kết cấu phận hay chi tiết khác nắp máy, cắt tách phần nắp máy để quan sát thể Hình 2.3 Kiểm nghiệm bền nắp máy sau khoan 2.3.1 Điều kiện kiểm nghiệm Sau xây dựng nắp máy tìm vị trí khoan thích hợp mơ hình, tiến hành kiểm nghiệm bền nắp máy Điều kiện làm việc nắp máy khắc nghiệt ln biến thiên tuần hồn Trước tiên phải kể đến tải trọng cơ, gồm: áp suất khí thể q trình cháy sinh ra; ứng suất ban đầu lắp ghép nắp máy với thân máy Thứ hai tải trọng nhiệt: nắp máy tiếp xúc trực tiếp với môi chất công tác nước làm mát nên nhiệt độ điểm nắp máy không giống Sự không đồng nhiệt độ điểm gây ứng suất nhiệt cho nắp máy Hai loại tải trọng đồng thời tác dụng gây hỏng hóc cho nắp máy Vì vậy, nghiên cứu tập trung vào việc xác định trường ứng suất nhiệt nắp máy động Điều kiện tiến hành tính tốn kiểm nghiệm bao gồm giả thiết sau đây: (i) Nắp máy khối vật liệu đồng nhất, có thành phần cấu tạo giống vị trí (ii) Nắp máy chịu tác động tải trọng nhiệt tải trọng cơ, bao gồm: - Tải trọng áp suất khí thể pkt phân bố đồng phần diện tích nắp máy giới hạn xylanh; bỏ qua ảnh hưởng ứng suất lắp ghép Kiểm nghiệm tiến hành trường hợp áp suất khí thể lớn nhất, pktmax = 70 bar - Tải trọng nhiệt tác dụng lên nắp máy có phân bố tương đối phức tạp Vùng không gian giới hạn xylanh tiếp xúc trực tiếp với sản vật cháy có nhiệt độ cao Các phần khác nắp máy có chịu tải trọng nhiệt thấp Phần nắp máy phía đường thải có nhiệt độ cao phía đường nạp; phía nước làm mát vào có nhiệt độ cao phía nước két Tuy nhiên, để đơn giản toán, tải trọng nhiệt tác dụng nắp máy giả thiết: phần khơng gian giới hạn xylanh có nhiệt độ T max = 850K nhiệt độ trung bình tồn nắp máy giả thiết với nhiệt độ nước làm mát, khoảng 370K (iii) Đầu nội soi lắp vào nắp máy qua ống bảo vệ Lắp ghép ống bảo vệ lỗ khoan nắp máy lắp ghép lỏng bao kín tránh lọt khí nhờ keo chịu nhiệt Như vậy, bỏ qua ảnh hưởng ứng suất lắp ghép nắp máy ống bảo vệ (iv) Bỏ qua ảnh hưởng ứng suất lắp ghép ban đầu nắp máy thân máy 2.3.2 Đặc tính vật liệu Trong tính tốn sức bền chi tiết máy, đặc tính vật liệu thơng số quan trọng để xác định thành phần chuyển vị, biến dạng trạng thái ứng suất chi tiết Nắp máy đúc vật liệu gang xám với thông số đưa Bảng Bảng Đặc tính vật liệu nắp máy TT Thông số Mô đun đàn hồi Hệ số Poisson Khối lượng riêng Hệ số giãn nở nhiệt Giới hạn bền kéo Giới hạn bền nén Hệ số dẫn nhiệt Nhiệt dung riêng Giá trị x1011 0,28 7,2 x 10-6 1,1 x 10-5 240 820 5,2 x 10-2 447 Đơn vị N/m2 kg/mm3 1/0C MPa MPa W/mm.0C J/kg0C 2.3.3 Chia lưới mơ hình (Meshing) Việc chia lưới mơ hình có ý nghĩa quan trọng, ảnh hưởng tới độ xác kết tính tốn thời gian tính tốn Chi tiết chia số giới hạn phần tử liên kết với nút Kích thước hình dạng phần tử đóng vai trò quan trọng tính tốn phân tích Phần tử nhỏ kết tính tốn xác nhiên số lượng phép tính tăng lên, điều bị giới hạn cấu hình máy tính Do đó, cần phải lựa chọn số lượng phần tử phù hợp Các thông số chia lưới thể Bảng Bảng Thông số chia lưới TT Thông số Kiểu phần tử Số lượng phần tử Số nút Kích thước phần tử Giá trị Tứ diện 477 91953 Lớn Nhỏ 10 Đơn vị mm mm 2.3.4 Đặt liên kết tải trọng lên nắp máy Sau chia lưới tiến hành đặt liên kết đặt tải trọng (cơ nhiệt) lên nắp máy thể Hình 10 Hình 10 Đặt liên kết tải trọng lên nắp máy KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Tổng hợp kết mô thể Bảng 3, Hình 11 đến Hình 13 Bảng Kết tính tốn Giá trị TT Thơng số Đơn vị Lớn nhất/tại nút Nhỏ nhất/tại nút Ứng suất 39,1 33869 54678 MPa Nhiệt độ 850 30890 380 10574 K Biến dạng 0,0197 50479 11367 mm Hình 11 Chuyển vị điểm nắp máy Hình 12 Ứng suất điểm nắp máy Các giá trị ứng suất chuyển vị điểm nắp máy biểu thị thông qua thang màu tiêu chuẩn Giá trị ứng suất chuyển vị tăng dần từ màu xanh đến đỏ Trên máy tính, giá trị điểm biểu trực tiếp ta di chuyển trỏ đến điểm cần xét Từ biểu đồ ứng suất ta biết vị trí có ứng suất tập trung lớn nhất, nhỏ Kết tính tốn mơ cho thấy: Hình 13 Ứng suất điểm nắp máy - Giá trị ứng suất tổng lớn dạng điểm 3,91x107N/m2, giá trị nhỏ nhiều so với giá trị tới hạn vật liệu chế tạo nắp máy 2x1011 N/m2, điều có nghĩa chi tiết thừa bền - Biến dạng lớn 0,0197mm, so với chuyển vị cho phép điểm nắp máy 0,03 đến 0,04mm 4 KẾT LUẬN Nghiên cứu sử dụng Catia để xác định kiểm nghiệm nắp máy sau khoan lỗ lắp đầu nội soi thực hiện, kết tóm tắt sau: - Mơ hình 3D nắp máy xây dựng từ số liệu đo đạc vẽ quy lát đảm bảo mơ tả xác kết cấu thực tế chi tiết; - Xác định vị trí khoan lỗ khơng gây ảnh hưởng tới phận khác nắp máy; - Sau khoan, nắp máy đảm bảo yêu cầu độ bền nhiệt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] AVL product description, Single cylinder research engine, AVL List GmbH Hans-ListPlatz 1, A-8020 Graz, Austria [2] Alaci S., Ciornei F.L.(2010), Numerical versus analytical method in finding stress state in mechanisms elements, Fiability & Durability No.2 (6) [3] Botean A.I.(2006), Studiul solicitărilor termomecanice ỵn motoarele cu ardere internă utilizând metode moderne de cercetare, Raport final grant de cercetare [4] Gardyński L., Weroński A.(1998), Examination of diesel engine pistons’ cracking reasons, Proc 10th International Scientific Conference “Communications on the edge of the milleniums”, śilina, SK, pp 69-72 [5] Nguyen Duy Vinh, Nguyen Tien Han, Khong Vu Quang, Pham Minh Tuan (2011), Supercharging Study for Diesel Engine by Using AVL_Boost Software, The 4th AUN/SEED Net Regional Conference on New and Renewable Energy 2011; ISBN 978-604-73-0661-9 [6] https://www.avl.com/visiolution-optical-combustion-analysis-systems  ... bố trí đầu nội soi loại M14 rộng Để lắp đầu cảm biến nội soi vào nắp máy phải chọn vị trí khoan thích hợp Trong trình làm việc, nắp máy đầu nội soi phải đảm bảo độ bền, đồng thời đầu nội soi. .. nén động Đặc biệt, tìm vị trí khoan lỗ nắp máy động sẵn có để lắp đầu nội soi gặp phải số khó khăn sau: - Muốn quan sát trình bên buồng cháy cách rõ nét vị trí đầu nội soi phải hướng thẳng vào buồng. .. độ buồng cháy Hình thể vị trí tương quan chi tiết vòi phun, đầu nội soi phạm vi quan sát đầu nội soi buồng cháy Hình cho thấy vị trí lắp đầu nội soi khơng phụ thuộc vào kết cấu cụ thể nắp máy