Mô hình hóa động học và động lực học cho động cơ Diesel 4 kỳ

Nghiên cứu này tập trung vào mô hình hóa hoạt động của động cơ diesel, cụ thể là xác định động học và động lực học các chi tiết quan trọng như piston, thanh truyền, trục khuỷu. Thông qua quá trình xây dựng mô hình toán học này, ta có thể xác định được lực kéo và công suất cũng như các thông số động học và động lực học khác của động cơ.

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Mơ hình hóa động học động lực học cho động Diesel kỳ Modelling and simulation of a 4-stroke diesel engine Đinh Xn Thành Khoa Cơng nghệ Ơtơ, Trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội Email: thanhdx1969@gmail.com Mobile: 0985899969 Tóm tắt Từ khóa: Mơ hình động lực học; Nhiệt động lực học, tính tốn mơ số; động học động lực học; động diesel Mơ hình hóa mơ trình quan trong nghiên cứu phát triển sản phẩm kỹ thuật, đặc biệt nghiên cứu phát triển xe giới xe quân Động đốt đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng trực tiếp tới chuyển động phương tiện Tuy nhiên, trình làm việc động đốt phức tạp khắc nghiệt, việc nghiên cứu phát triển tối ưu hóa q trình làm việc động khó khăn Việc sử dụng phương pháp mơ hình hóa giải vấn đề nêu Nghiên cứu tập trung vào mô hình hóa hoạt động động diesel, cụ thể xác định động học động lực học chi tiết quan trọng piston, truyền, trục khuỷu Thơng qua q trình xây dựng mơ hình tốn học này, ta xác định lực kéo công suất thông số động học động lực học khác động Kết nghiên cứu sở quan trọng cho việc xây dựng mơ hình mơ cho phương tiện xe giới việc tính tốn kiểm nghiệm bền chi tiết động trình hoạt động Abstract Keywords: Internal combustion engine; mechanical stress; fine element method; Thermodynamic; friction force; in-cylinder pressure Ngày nhận bài: 20/7/2018 Ngày nhận sửa: 07/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 Modelling and simulation play an important role in the research and development of technological products, especially in the development of automobile and military vehicles Internal combustion engines also play an important role and directly affect the movement of vehicles Nonetheless, the operation of these engines are harsh and complicated, thus the research in developing and optimizing their operations faces many challenges The use of modelling methods can assist in solving the aforementioned problems This research focuses on the modelling of the internal combustion engine’s operations, particularly to determine the kinetic and dynamics of the engine’s the main components, such as a rod, crankshaft and piston To conduct this research, the thermodynamic process was simulated to calculate the in-cylinder pressure distribution In addition, this research also modelled the friction forces for calculating the test engine’s net force The results showed that the net force changes according to the crank angle and reaches to the maximum values near the top dead center (TDC) As a result, it is necessary to analyze the stress of the crankshaft, rod and piston in these areas The research results serve as the foundation to design the simulation models for vehicles, as well as to calculate and to test the strength of engines’ components during operation HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 GIỚI THIỆU CHUNG Trong hoạt động động đốt trong, cấu trục khuỷu - truyền piston đóng vai trị vô quan trọng định trực tiếp tới hiệu hiệu suất động đốt Thêm vào đó, chi tiết vận hành trọng điều kiện khắc nhiệt, chịu tải trọng nhiệt độ cao [1-5] Do nghiên cứu phát triển động cần thiết phải tính tốn phân tích tối ưu hóa làm việc chi tiế để đảm bảo tính hiệu độ bền làm việc Đây việc khó khăn đặc điểm làm việc phức tạp cấu Trên giới có nhiều nghiên cứu sử dụng mơ hình hóa kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) để giải vần đề nêu [6-10] Việc mơ hình hóa tiết kiệm thời gian chi phí qua rút ngắn thời gian nghiên cứu phát triển Trong nghiên cứu phát triển động cơ, thông thường động bán thị trường tính tốn để đảm bảo hiệu độ bền trình làm việc Tuy nhiên q trình khai thác thực tế, có nhiều bất thường xảy xảy làm cho tải trọng nhiệt tăng lên Thêm vào đó, để đáp ứng yêu cầu khai thác, nhiều động cũ cường hóa thay đổi kết cấu kích thước xilanh hay tăng áp để tăng cơng suất Do vậy, việc mơ hình hóa để xác định tải trọng tác dụng lên động cần thiết trước áp dụng thực tế Trong nghiên cứu này, dòng động hệ cũ mơ hình hóa sử dụng phần mềm chun dụng để tính tốn thơng số q trình cháy, đồng thời lực tác dụng lên chi tiết mơ hình theo điều kiện làm việc thực tế Kết nghiên cứu sở để đưa phương pháp hiệu quả, bớt tốn việc nghiên cứu phát triển cải tiến động đốt MƠ HÌNH HĨA ĐỘNG CƠ D243 2.1 Giới thiệu động nghiên cứu Động nghiên cứu động diesel D243, lắp ráp dây chuyền cơng nghệ cộng hịa Belarut, loại động chế tạo chủ yếu lắp máy kéo Trong thời gian dài, loại động khẳng định vị trí thị trường Việt Nam, giá thành chế tạo tương đối rẻ, phụ tùng thay sẵn có Động D243 động diesel không tăng áp, kỳ, xilanh thẳng hàng, thứ tự làm việc là: 1-3-4-2 Động sử dụng hệ thống làm mát nước cưỡng vịng tuần hồn kín, với bơm nước tuần hồn kiểu li tâm, có cấu phối khí xupap treo, trục cam đặt thân máy có biên dạng cam cam lồi ba cung Động D243 sử dụng phương pháp tạo hỗn hợp kiểu thể tích màng có dạng buồng cháy tam giác đỉnh lồi viện nghiên cứu động diesel Liên Xô cũ thiết kế Ưu điểm loại động có phương pháp tạo hỗn hợp thể tích màng làm việc êm, tính kinh tế cao đường đặc tính suất tiêu hao nhiên liệu tương đối phẳng dải rộng chế độ tốc độ động làm việc theo đặc tính ngồi Các thơng số kỹ thuật động D243 thể Bảng Bảng Thông số kỹ thuật chung động thí nghiệm TT Thơng số/ Kí hiệu Mã hiệu D243 Thứ tự đánh số xilanh (từ phía quạt gió) Thứ tự cơng tác Thể tích cơng tác (Vh) Giá trị DSC 80 1-2-3-4 1-3-4-2 4,75 Đơn vị dm3 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 10 11 12 13 14 15 Đường kính xilanh(D) Hành trình piston (S) Tỷ số nén (ε) Công suất định mức(Nemax) Tốc độ quay ứng với Nemax Góc phun sớm nhiên liệu Áp suất nâng kim phun Trọng lượng khô động Suất tiêu hao nhiên liệu Lượng tiêu thụ nhiêu liệu Áp suất có ích trung bình (pe) 110 125 16 80 2200 20 ÷ 24 180 ÷ 220 430 180 13,5 ÷ 16,2 6,5 ÷ 7,7 mm mm Mã lực v/ph o gqtk KG/cm2 Kg g/ml.h Kg/h KG/cm3 2.2 Mơ hình hóa nhiệt động lực học động D243 Trong nghiên cứu sử dụng phần mềm chuyên dụng để mô nhiệt động lực học động D243 Mơ hình động xây dựng sở đặc điểm kết cấu động thực tế tài liệu liên quan Các phần tử mơ hình lựa chọn theo đặc điểm kết cấu động Mơ hình động xây dựng sở động D243 thực tế, phần tử thơng số mơ hình xác định từ thực nghiệm Bảng thể phần tử thơng số cho mơ hình Bảng Thơng số nhập cho mơ hình TT 10 11 Thông số nhập Tốc độ động n (v/ph) Áp suất môi trường p (bar) Nhiệt độ môi trường t (0C) Chu kỳ tính Lượng nhiên liệu chu trình (g/cyc) Bước xuất kết Nhiệt trị thấp Q (kJ/kgnl) Tỷ lệ A/F Mô hình cháy Loại động Thứ tự nổ Giá trị 1200 ÷ 2200 25 50 0,055 ÷ 0,074 42800 14,7 AVL MCC kỳ 1-3-4-2 Hình thể diễn biến áp suất xilanh động có từ q trình mơ Có thể thấy áp suất thay đổi đáng kể theo góc quay trục khuỷu giá trị cực đại đạt trình cháy lân cận điểm chết Giá trị áp suất có từ Hình sử dụng để tính tốn tổng áp lực tác dụng lên chi tiết động đốt HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Diễn biến áp suất xilanh theo góc quay trục khuỷu 2.3 Phân tích động học Mơ hình lực tác dụng chuyển động cấu động đốt thể Hình p m1 B m2 ϕ l2 θ r A m3 l3 O Hình Mơ hình cấu piston - trục khuỷu - truyền đơn giản Do dịch chuyển piston theo phương ngang nhỏ, áp dụng định lý hàm sin tam giác OAB, ta có: HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 l2 r r   sin   sin  sin  sin  l2 (1) Chuyển vị z piston theo phương thẳng đứng xác định z  r cos   l2 cos  (2) Do ta xác định vận tốc gia tốc piston cách đạo hàm cấp cấp phương trình z  r sin   l2 sin  (3)  z   rsin   r cos   l2 sin   l2 cos      (4) Thanh truyền cấu nối piston với trục khuỷu Đầu truyền gắn với chốt piston đầu gắn với trục khuỷu Thanh truyền chịu ứng suất lớn từ tải tương tác piston Trong trình chuyển động song phẳng, truyền chịu lực kéo, nén lớn đặc biệt trình tăng tốc chế độ toàn tải Gia tốc truyền trọng tâm xác định theo gia tốc đầu truyền gắn với piston a R  a B  a R / B chiếu theo phương ngang dọc ta : aRX   1  j  r sin   1  j  r cos  aRY   r cos  2     j  r cos   jr sin  tan     jr cos  tan   r sin   l cos    (5) (6) Trục khuỷu chuyển đổi chuyển động lên xuống (tịnh tiến) piston thành chuyển động quay truyền động truyền động bên Trục khuỷu kết nối với piston thông qua truyền Vật liệu làm trục khuỷu thường làm từ thép gang Tương tự với cách xác định gia tốc truyền, ta xác định gia tốc trục khuỷu trọng tâm thông qua gia tốc điểm chung truyền trục khuỷu: aCX   hr sin   hr cos  (7) aCY   hr cos   hr sin  (8) MÔ HÌNH HĨA CÁC LỰC TÁC DỤNG LÊN CÁC CHI TIẾT CỦA ĐỘNG CƠ 3.1 Mơ hình hóa lực tác dụng lên piston Các lực tác dụng lên Piston bao gồm: Q(t) - tổng ngoại lực tác động lên piston, mPg - trọng lực piston, phản lực liên kết FBX, FBY Vì piston khơng chuyển động theo phương X nên tổng lực tác dụng lên phương X 0, nên ta có : F X FBX  S   FBX  S (9) Tổng lực tác dụng theo phương Y xác định phương trình đây: F Y  FBY  mP g  Q  t   mP aPY (10) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Trong đó, Q(t) tổng ngoại lực tác động lên piston bao gồm: lực áp suất tác động lên mặt piston (PT), ma sát xéc măng(Fr), ma sát phần bề mặt piston xilanh (µS), lực áp suất tác động lên mặt piston (PB - crankcase pressure) Lưu ý, ta xác định lực PT  pc A thông qua mô hình trình cháy để đưa áp suất xilanh Ngoài ra, lực PB sinh áp suất dầu tác động lên mặt xác định từ thực nghiệm, lực nhỏ so với lực áp suất gây mặt piston Các lực ma sát Fr µS hàm thay đổi theo thời gian Như phản lực tác dụng lên piston theo phương Y: FBY  mP g  Q  t   mP aPY (11) Trong Q  t   PT  Fr   S  PB (12) Với ý dấu µS phụ thuộc theo hướng chuyển động piston Từ cơng thức (12) kết hợp với thứ tự nổ piston 1-3-4-2, ta xác định lực tác dụng lên piston hình 100000 Piston force (N) Lực tác dụng (N) Piston 90000 Piston 80000 Piston Piston 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 100 200 300 400 500 600 700 Crankshaft angle (degree) Góc quay trục khuỷu (Độ) Hình Tổng lực tác dụng lên piston 3.2 Tổng lực tác dụng lên truyền Đối với động hàng xilanh, động làm việc thân truyền chịu lực khí thể, lực quán tính khối lượng chuyển động tịnh tiến, lực quán tính chuyển động lắc (chuyển động song phẳng) truyền Vì trạng thái chịu lực thân truyền thường là: chịu nén uốn dọc hợp lực khí thể lực quán tính khối lượng chuyển động tịnh tiến, chịu kéo tác dụng lực quán tính chuyển động tịnh tiến chịu uốn ngang tác dụng lực quán tính chuyển động lắc truyền HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 FBY B FBX R mRg FAX A FAY Hình Mơ hình lực tác dụng lên truyền Các lực tác dụng lên truyền bao gồm trọng lực đặt trọng tâm phản lực liên kết đặt hai đầu Từ ta xác định được: Tổng lực tác dụng theo phương X: F  FAX  FBX  mR aRX X (13) Tổng lực tác dụng theo phương Y: F Y  FAY  FBY  mR g  mR aRY (14) Tổng mô men tác dụng theo trục qua tâm R M R  I RR (15) hay  FBX 1  j  l cos   FBY 1  j  l sin   FAX jl cos   FAY jl sin   I RR 3.3 Tổng lực tác dụng lên trục khuỷu FAX FAY Y A θ FOX T θ C FOY mCg Hình Các lực tác dụng lên trục khuỷu X (16) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Tổng lực tác dụng theo phương X F  FOX  FAX  mC aCX X (17) Tổng lực tác dụng theo phương Y F Y  FOY  FAY  mC g  mC aCY (18) Tổng mô men quanh chốt trục khuỷu M C  ICC (19) Do ta có: T  FAX 1  h  r cos  FAY 1  h  r sin   FOX hr cos   FOY hr sin   I CC (20) 3.4 Xác định lực ma sát Kết hợp phương trình gia tốc từ phương trình ta được:  I R cos    mP tan   cos  tan   sin       l cos    S  r     j cos    jmR     sin  tan  cos   cos        r cos  tan    r cos2   IR r [    sin  tan   cos    m sin  tan    P   l cos    l cos    l cos    jr cos2  tan  j sin   jmR   cos  tan   sin   cos  l cos    ]  g tan   mP  jmR   Q  t  tan  (21)  Thế lực biết ta mô men phản lực tác động lên trục khuỷu: T  I C  mC aCX hr cos   mR aRX r cos   mC aCY hr sin   mR aRY r sin   mP aPY r sin    mC hgr sin   mR gr sin   mP gr sin   Q  t  r sin   Sr cos  (22) Thế gia tốc biết vào biểu thức trên, ta được: T  I     I    g    Q  t ,   (23) đó, I   hàm qn tính xác định  r cos   I    IC  mC h r  I R   mP r  cos  tan   sin      l cos   2  mR r 1  j  cos2    j cos  tan   sin      2 (24) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 I   tỉ lệ biến thiên quán tính dựa vào góc quay θ trục khuỷu  r cos    r cos   I    I R  tan   tan       I cos    l cos    r cos   2mP r  cos tan   sin     cos  sin  tan     l cos   2mR r 1  j  sin  cos    jr cos   2mR r  j cos tan   sin     cos   j sin  tan    l cos   TỔNG MÔ MEN TẢI LỚN NHẤT TÁC ĐỘNG LÊN TRỤC KHUỶU Với đầu vào áp suất P tác động lên mặt Piston tốc độ vòng quay 2200 v/p Với thứ tự nổ động 1-3-4-2, chu kì từ 0-180O trục khuỷu xilanh xilanh nổ Ta xác định đồ thị tổng mô men tải tác động lên trục khuỷu phụ thuộc vào góc quay trục khủyu xilanh sau: Ta xác định mơ men tải trung bình tác động lên trục khuỷu tồn chu kì 4 Ttb   T   d  310  Nm  (25) Đồng thời, dựa vào đồ thị nhận thấy mô men tải lên trục khuỷu lớn góc quay trục khuỷu xilanh nằm khoảng 360-370O (ngay sau điểm chết trên) Tương tự xilanh khác Vì vậy, ta chọn khoảng dao động trục khuỷu xilanh để xác định ứng suất lớn trục khuỷu Theo thứ tự nổ xilanh 1-3-4-2, ta có đồ thị mơ men xoắn tác động lên trục khuỷu xilanh theo góc quay chu kỳ (0-720O) xilanh thứ Từ đồ thị trên, suy mô men tác động lên cổ khuỷu Do tính đối xứng trục khuỷu nên mô men tác động lên cổ khuỷu tương đương với cổ tổng mô men tác động lên trục khuỷu, cổ tương đương với cổ KẾT LUẬN Bài báo trình bày phương pháp mơ hình hóa động diesel ký khơng tăng áp để xác định lực tác dụng lên cấu trục khuỷu, truyền piston động Quá trình cháy động thực phần mềm chuyên dụng để đưa trường áp suất biến đổi theo góc quay trục khuỷu Các lực ma sát phản lực liên kết xác định dựa việc mơ hình hóa lực tác dụng tính tốn dựa vào thơng số kết cấu chế độ hoạt động động D243 Nghiên cứu lực tác dụng lên cổ khuỷu, chốt khuỷu mô men đầu trục khuỷu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Khanh Nguyen Duc, Han Nguyen Tien, Vinh Nguyen Duy: A Study of Operating Characteristics of Old-Generation Diesel Engines Retrofitted with Turbochargers (2017) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 [2] A L Guzzomi, D C Hesterman, B J Stone: Variable inertia effects of an engine including piston friction and a crank or gudgeon pin offset, Proc IMechE Vol 222 Part D: J Automobile Engineering (2008) [3] D C Hesterman, B J Stone: A systems approach to the torsional vibration of multicylinder reciprocating engines and pumps, Journal of Mechanical Engineering Science, Part C, Proc Instn Mech Engrs Vol 208 (1994) [4] Nguyễn Duy Vinh: Ứng dụng phần mềm AVL_BOOST để nghiên cứu tăng áp tuabin máy nén cho động D243, luận văn Thạc sĩ, Đại học Bách Khoa Hà Nội (2011) [5] Nguyễn Văn Khang: Động lực học hệ nhiều vật (in lần thứ 2), NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội (2007) [6] Khanh N.D, Han N.T, Vinh N.D: Performance enhancement and emission reduction of used motorcycles using flexible fuel technology, J Energy Inst (2016) [7] Mohamed Kamal Ahmed Ali, Hou Xianjun, Richard Fiifi Turkson, Muhmmad Ezzat: An analytical study of tribological parameters between piston ring and cylinder liner in internal combustion engines, Proc IMechE Part K: J Multi-body Dynamics (2015) [8] Zissimos P Mourelatos: A crankshaft system model for structural dynamic analysis of internal combustion engines, Computers and Structures 79 2009-2027 (2001) [9] Mohammad Reza Asadi Asad Abad, Mohammad Ranjbarkohan, Behnam Nilforooshan Dardashti: Dynamic Load Analysis and Optimization of Connecting Rod of Samand Engine, Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 5(12) 1830-1838 (2011) [10] Lucjan Witek, Michal Sikora, Feliks Stachowicz, Tomasz Trzepiecinski: Stress and failure analysis of the crankshaft of diesel engine, Engineering Failure Analysis (2017) ... Kg/h KG/cm3 2.2 Mơ hình hóa nhiệt động lực học động D 243 Trong nghiên cứu sử dụng phần mềm chuyên dụng để mô nhiệt động lực học động D 243 Mơ hình động xây dựng sở đặc điểm kết cấu động thực tế tài... phát triển cải tiến động đốt MƠ HÌNH HĨA ĐỘNG CƠ D 243 2.1 Giới thiệu động nghiên cứu Động nghiên cứu động diesel D 243 , lắp ráp dây chuyền cơng nghệ cộng hịa Belarut, loại động chế tạo chủ yếu... MƠ HÌNH HĨA CÁC LỰC TÁC DỤNG LÊN CÁC CHI TIẾT CỦA ĐỘNG CƠ 3.1 Mơ hình hóa lực tác dụng lên piston Các lực tác dụng lên Piston bao gồm: Q(t) - tổng ngoại lực tác động lên piston, mPg - trọng lực