Nghiên cứu khả năng dẫn động xu páp động cơ đốt trong bằng thuỷ lực

Nghiên cứu khả năng dẫn động xu páp động cơ đốt trong bằng thuỷ lực

Phần 1:Đặc điểm của luận án

1 Tính thiết thực của luận án

Luận án đã phân tích, đánh giá những hạn chế chủ yếu của việc dẫn

động xu páp bằng cơ khí của động cơ trên bộ và đề xuất hướng dẫn động cơ - thủy lực áp dụng cho các động cơ có tốc độ tới 2000v/ph

2 Mục đích nghiên cứu của luận án

- Trên cơ sở phân tích các phương án dẫn động xu páp trên động cơ đốt trong, đề xuất phương án dẫn động bằng thủy lực

- Vận dụng nguyên lý chuyển động Niu-tơn - Đa-lăm-be của vật rắn và phương trình cân bằng lưu lượng chất lỏng, xây dựng mô hình toán học mô tả hệ thống dẫn động bằng thuỷ lực và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng

- Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống dẫn động thủy lực, khảo sát thực nghiệm trên mô hình, trên cơ sở đó có những kết luận ban đầu về khả năng dẫn động xu páp bằng thủy lực

3 Các vấn đề đã giải quyết trong luận án

- Lựa chọn sơ đồ dẫn động bằng thủy lực cho xu páp và xây dựng mô

hình toán học mô tả hệ thống

- Khảo sát ảnh hưởng của các thông số kết cấu, áp suất nguồn và tốc độ trục phân phối tới hoạt động của hệ thống bằng mô hình toán học

- Chế tạo mô hình thực nghiệm, khảo sát trên mô hình thực nghiệm, đưa

ra các kết luận ban đầu về khả năng dẫn động xu páp bằng thủy lực với

động cơ có tốc độ tương đối cao (≤ 2000v/ph)

4 Bố cục của luận án:

Luận án được trình bày ngoài phần mở đầu, kết luận chung và phụ lục gồm: ba chương, 79 hình vẽ, đồ thị, ảnh, 14 bảng biểu cùng 41 tài liệu tham khảo, 4 phụ lục và 4 bài báo có liên quan tới luận án của tác giả

Phần 2: Nội dung của luận án Chương 1: Tổng quan

Trong chương này tác giả luận án đã trình bày các kết quả nghiên cứu

đã được công bố liên quan đến các nội dung sau:

- Các phương án dẫn động xu páp bằng cơ khí và ưu nhược điểm

- Các giải pháp hoàn thiện cơ cấu dẫn động xu páp bằng cơ khí

- Tổng quan các công trình nghiên cứu về các phương án dẫn động xu páp của động cơ

Chương 2: Mô hình hoá hệ thống dẫn động xu páp bằng thủy lực 2.1 Lựa chọn sơ đồ dẫn động xu páp bằng thủy lực

2.1.1 Sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống dẫn động xu páp bằng thủy lực

Trên hình 2.1 thể hiện sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống dẫn động bằng thủy lực điển hình Hệ thống gồm: nguồn thủy lực, van phân phối và

xi lanh thủy lực

Van phân phối được điều khiển bằng cơ khí hoặc điện từ, điện tử Sơ đồ dẫn động xu páp sử dụng van phân phối kiểu khóa được giới thiệu trên hình 2.2

Hình 2.1 : Sơ đồ nguyên lý của hệ thống dẫn động xu páp bằng thủy lực

1 - Bơm dầu; 2 - Van phân phối; 3 - Van tiết lưu; 4 - Đường ống; 5 - Xi lanh thủy lực;

6 - Xu páp của động cơ; 7 - Thùng chứa; 8 - Van an toàn; 9 - Bầu lọc

5

1

6 2

3

8

4

7 9

2.1.2 Kết cấu của hệ thống dẫn động xu páp bằng thủy lực có sử dụng van phân phối

Hệ thống dẫn động này được thể hiện trên hình 2.2 gồm hai khối: khối

điều khiển con trượt và khối điều khiển xu páp của động cơ Khối điều khiển con trượt gồm van phân phối 7, xi lanh dẫn động con trượt 3 Khối

điều khiển xu páp gồm hộp con trượt 4, xi lanh dẫn động xu páp 5 và 6 Kết cấu của van phân phối điều khiển xi lanh dẫn động con trượt và sơ đồ kết nối được thể hiện trên hình 2.3 Van phân phối gồm: thân van 5, trục van 7 và ống lót 6 Trục của van được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ thông qua cặp bánh răng 4 Trên trục của van có khoan hai lỗ A và B không thông nhau theo đường tâm, lỗ A có áp suất cao được nối với xi lanh thủy lực, lỗ B nối thông với cửa xả Các lỗ theo phương hướng kính a, d là các cửa cấp, cửa xả Trên ống lót có các rãnh dẫn dầu b, e với chiều dài, vị trí phù hợp với quy luật chuyển động của xu páp Dầu thường xuyên được cấp vào khoang A của trục phân phối với một áp suất nhất định

Hình 2.2 : Sơ đồ nguyên lý của hệ thống dẫn động xu páp bằng thủy lực sử dụng van

phân phối kiểu khoá

1 - Thùng dầu; 2 - Bơm bánh răng; 3 - Xi lanh điều khiển con trượt van phân phối;

4 - Van phân phối 4/2; 5,6 -Xi lanh dẫn động xu páp; 7 - Van xoay; 8 - Bộ giảm tốc;

9 - Động cơ dẫn động van xoay; 10 - áp kế; 11-Van an toàn;

M

1 2

3

4

6 7 8

9

10 11 P

P T

Khi động cơ làm việc, trục khuỷu quay, trục phân phối quay Tại thời

điểm cửa cấp a trùng vào rãnh cấp b, dầu thủy lực được cấp đến xi lanh dẫn

động con trượt qua cửa cấp a rãnh b, cửa cấp c Dưới tác dụng của áp suất, pít tông và con trượt dịch chuyển mở đường dầu cấp cho xi lanh mở xu páp Ngay khi lỗ d trùng với rãnh e, khoang trên của xi lanh thủy lực thông với đường xả qua cửa xả f, rãnh e, cửa d, khoang B của trục; áp suất giảm, dưới tác dụng của lò xo hồi vị pít tông dịch chuyển theo chiều ngược lại, dầu được xả về thùng và con trượt trở lại vị trí ban đầu, đồng thời dầu trong

xi lanh dẫn động xu páp xả về thùng qua cửa xả, xu páp đóng

Van của khối điều khiển xi lanh dẫn động xu páp là loại van phân phối kiểu con trượt bốn đường Sơ đồ nguyên lý của van phân phối kiểu con

trượt được thể hiện trên hình 2.4

Nguyên lý làm việc của van phân phối: chất lỏng công tác từ bơm được

đưa vào cửa 1 Tuỳ thuộc vào vị trí của con trượt 7 chất lỏng công tác sẽ

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý van phân phối kiểu con trượt

1 -Cửa cấp nguồn;2,5 - Các cửa xả; 3,4- Các cửa cấp tới xi lanh thủy lực;

6 - Thân van phân phối; 7 - Con trượt

Hình 2.3 : Sơ đồ kết cấu của van phân phối và sơ đồ kết nối

A-Khoang cấp; B- Khoang xả; a,d- Cửa cấp, cửa xả trên trục phân phối; b,e - Rãnh cấp, rãnh xả trên ống lót;c,f-Các cửa cấp, cửa xả trên thân van; 1-Van phân phối;2-Xi lanh dẫn động con trượt;3-Hộp con trượt 4/2; 4- Cặp bánh răng dẫn động; 5-Thân van phân phối; 6-ống lót; 7- Trục phân phối

được đưa vào khoang công tác của xi lanh thủy lực 5 (hình 2.2) Cũng tại thời điểm đó, chất lỏng từ xi lanh 6 (hình 2.2) theo cửa 4 thoát về bể chứa

2.2 Xây dựng phương trình toán học mô tả chuyển động của xu páp

được dẫn động bằng thủy lực

2.2.1 Xác định kích thước hình học của r∙nh cấp và vị trí bố trí chúng trên ống lót của van phân phối

Xác định góc quay của cửa cấp trên trục phân phối (hình 2.5):

) arcsin(

2 1

Trên cơ sở đồ thị pha phối khí của động cơ, vị trí các cửa cấp và cửa xả trên ống lót đ−ợc bố trí nh− trên hình 2.7

2.2.2 Xây dựng quy luật cấp chất lỏng cho xi lanh dẫn động xu páp

Quy luật cấp chất lỏng công tác cho xi lanh thủy lực đ−ợc đặc tr−ng bởi quy luật biến thiên của diện tích trùng khớp lỗ cấp trên trục phân phối và rãnh cấp trên ống lót Sơ đồ tính toán thể hiện trên hình 2.8

Hình 2.7 : Sơ đồ bố trí các cửa cấp và cửa xả trên ống lót

1,1' Cửa nạp và cửa xả của xi lanh dẫn động xu páp xả;2,2' Cửa nạp và cửa xả của xi lanh dẫn

Đ

C D 1 γ 2

Hình 2.8 : Sơ đồ tính toán sự biến thiên diện tích cửa cấp chất lỏng công tác điều khiển xu páp a- Khi bắt đầu mở cửa cấp; b- Khi cửa cấp mở hoàn toàn; c - Khi đóng cửa cấp

Để giảm thiểu tổn thất lưu lượng qua cửa cấp ta chọn bề rộng của rãnh cấp trên ống lót bằng đường kính của cửa cấp trên trục phân phối Diện tích trùng khớp của cửa cấp và rãnh cấp được tính như sau:

=

=

v a r t v a r khi r

a r vt r

a r vt

r a r vt r

S

v a r t v

r khi r S

v

r t khi r t v r

t v r t v r

2

2 1 2 2 2

2 arcsin 2 2

2 2

2 0 2

1 1 2

1 2

arcsin 2 2 S

)

2 2

3

)

2 2

)

2

2 1

(t)

π π π

Đồ thị biến thiên diện tích cửa cấp F(t) của van theo thời gian như trên hình 2.9 và 2.10 Quy luật biến thiên diện tích cửa xả tương tự như cửa cấp Trên cơ sở biểu thức tính diện tích cửa cấp của van phân phối có thể khảo sát quy luật cấp chất lỏng công tác cho xi lanh đồng thời tìm được diện tích thích hợp cho từng loại động cơ

2.2.3 Phương trình toán học mô tả chuyển động của xu páp dẫn được

động bằng thủy lực

2.2.3.1 Phương trình mô tả chuyển động của con trượt

Hình 2.9 : Đồ thị biến thiên diện

tích cửa cấp của van phân phối với

Sơ đồ tính toán quy luật chuyển động của con trượt được thể hiện trên hình 2.11

Trên cơ sở quy luật cung cấp chất lỏng công tác cho xi lanh thủy lực dẫn

động xu páp trong mục 2.2.2, phương trình chuyển động của con trượt

được thiết lập như sau:

Phương trình cân bằng lực cho pít tông dẫn động con trượt:

1 1 1 1 1

2 1 2

dt

dy sign f dt

dy k dt

y d

Trong đó: M qd1 - khối lượng chuyển động của pít tông, con trượt và lò xo

quy dẫn về đường tâm pít tông dẫn động con trượt, [kg] ; y1 - chuyển dịch

của pít tông dẫn động con trượt, [m]; S - diện tích tiết diện ngang của pít

tông dẫn động con trượt, [m2]; p 1 - áp suất chất lỏng công tác trong xi

lanh, [Pa]; k b - hệ số cản nhớt [N/(m/s)]; fms - hệ số ma sát giữa pít tông

và xi lanh, [N/(m/s)]; k 1 - hệ số độ cứng của lò xo hồi vị, [N/m];

Phương trình liên tục của hệ thống:

ρ

υ ξ

2 2

1 1

1

80 1

2

.

.

p p S d u S l S

S S

S u dt

k k

S

l S M

1

2 2

ρBiến thiên áp suất trong xi lanh dẫn động con trượt:

1

5

2 3

Hình 2.11 : Mô hình tính toán quy luật chuyển động của con trượt

1 - Xi lanh thủy lực; 2 - Pít tông; 3 - Lò xo hồi vị của pít tông; 4 -Hộp van phân phối; 5 - Con trượt; 6 - Lò xo hồi vị của con trượt;

) ( 1

) ( 2 )

1 0

1 1 1 1

1

y S V E

dt

dy S p p t F dt

p= Δvan + Δdo + Δqt

Δ 2

p= + + Δqt

Δ

2 2

2 1 2

λ ρ

Hình 2.13 : Mô hình tính toán quy luật chuyển động của xu páp dẫn động bằng thủy lực

Phương trình cân bằng lực cho pít tông dẫn động xu páp:

2 2

0 2 2 2

dy k dt

Phương trình liên tục của hệ thống:

ρ

υ ξ

ρ

2 2

2 2

2

2

2

80 1

2

.

.

p p S d u S l S

S S

S u

k k A

S

l S M

1

2 2

ρBiến thiên áp suất trong xi lanh dẫn động xu páp:

) ( 1

) (

2

2 0

2 1

2 1 2

2

y S V E

dt

dy S p p y d

Lưu lượng chất lỏng công tác cấp cho van trượt:

Q b2= 2 d c y1 2(pưp do2) +k Q p

ρ π

2.3 Khảo sát mô hình dẫn động xu páp bằng thủy lực

Sơ đồ thuật toán tổng quát khảo sát mô hình dẫn động xu páp bằng thủy lực được trình bày trên hình 2.14

2.4 Kết quả khảo sát mô hình toán học dẫn động xu páp bằng thủy lực

2.4.1 áp suất nguồn nuôi không đổi, tốc độ trục phân phối thay đổi

Kết quả khảo sát chuyển vị của xu páp và áp suất trong xi lanh dẫn động

xu páp thay đổi theo góc quay trục khuỷu, áp suất nguồn nuôi 2,0 MPa với các chế độ tốc độ n = 600, 700, 800 vg/ph được thể hiện trên hình 2.18, 2.22

ảnh hưởng của các thông số đến các giá trị cực đại của chuyển dịch, vận tốc, áp suất trong xi lanh thủy lực thể hiện trong bảng 2.1

Tính toán quy luật động học của xu páp dẫn động bằng thủy lực

t<t max

Đúng t=t+H

Vẽ đồ thị, in kết quả

Hình 2.18 : Chuyển vị của xu páp theo góc

quay trục khuỷu khi n=600, 700, 800vg/ph

và p=2,0 MPa

Hình 2.22: Chuyển vị của xu páp theo góc

quay trục khuỷu khi n=600, 700, 800vg/ph

áp suất trong xi lanh dẫn động xu páp

0 0.2 0.6 1 1.2 1.6 2

Bảng 2.1 : ảnh hưởng của tốc độ trục phân phối đến các giá trị cực

đại của chuyển dịch, vận tốc, áp suất trong xi lanh thuỷ lực

2,5MPa 2,0MPa 1,5MPa

áp suất max (MPa)

Chuyển

vị max (mm)

Vận tốc max (mm/s)

áp suất max (MPa)

Chuyển

vị max(mm)

Vận tốc max (mm/s)

áp suất max (MPa)

500 11,1789 435,0292 2,4328 8,7286 364,1478 1,98834 6,1534 278,7715 1,4812

600 10,7835 456,4702 2,3682 8,6117 381,925 1,96885 6,1527 290,4665 1,4808

700 10,1169 470,4175 2,2536 8,2346 391,9276 1,90735 6,0196 295,8525 1,45936

Bảng 2.2 : ảnh hưởng của áp suất nguồn đến các giá trị cực đại của

chuyển dịch, vận tốc, áp suất trong xi lanh thuỷ lực

áp suất max (MPa)

Chuyển

vị max (mm)

Vận tốc max (mm/s)

áp suất max (MPa)

Chuyển

vị max (mm)

Vận tốc max (mm/s)

áp suất max (MPa)

Từ bảng 2.1 ta thấy khi tăng tốc độ trục phân phối với áp suất nguồn nuôi nhất định thì giá trị chuyển vị lớn nhất (hành trình) xu páp và áp suất trong xi lanh dẫn động xu páp giảm Ví dụ với áp suất nguồn 2,0MPa, khi tăng tốc độ trục phân phối từ 500v/ph lên 800v/ph thì hành trình của xu páp giảm từ 8,73mm xuống 7,69mm tức là giảm 11,91% Với áp suất càng nhỏ thì % suy giảm cũng càng thấp bởi khi tăng tốc độ trục phân phối, cản trở thủy động của hệ thống tăng lên, do

đó lưu lượng cấp cho xi lanh dẫn động xu páp giảm Tuy nhiên khi tăng áp suất nguồn nuôi của hệ thống thì hạn chế trên lại được cải thiện đáng kể, ví dụ tại 600v/ph khi tăng áp suất từ 1,5MPa lên 2,5MPa hành trình xu páp tăng từ 6,15mm lên 10,78mm tức là tăng 42,95% Tốc độ càng cao thì sự gia tăng hành trình theo % khi tăng áp suất sẽ càng giảm Bằng cách khảo sát mô hình của hệ thống dẫn động

ta lựa chọn dải áp suất nguồn nuôi phù hợp cho hệ thống dẫn động xu páp tương ứng với tốc độ động cơ

2.4.2 Tốc độ trục phân phối không đổi, áp suất nguồn nuôi thay đổi

Hình 2.27, 2.32 thể hiện kết quả khảo sát chuyển vị của xu páp và áp suất trong xi lanh dẫn động xu páp theo góc quay trục khuỷu, áp suất nguồn nuôi 1,0MPa, 1,5MPa, 2,0MPa, 2,5MPa và độ tốc trục phân phối

n = 800 vg/ph

Các kết quả khảo sát ảnh hưởng của áp suất nguồn nuôi đến chuyển vị của xu páp là một cơ sở quan trọng giúp cho việc lựa chọn dải áp suất phù

Hình 2.27 : Chuyển vị của xu páp theo góc quay

trục khuỷu khi p=1,0, 1,5, 2,0 2,5MPa

và n=800vg/ph

Hình 2.32 : áp suất trong xi lanh dẫn động xu páp theo góc quay trục khuỷu khi p=1,0, 1,5, 2,0, 2,5MPa và n=800vg/ph

áp suất trong xi lanh dẫn động xu páp

0 0.2 0.6 1 1.2 1.6 2

hợp trong quá trình thiết kế hệ thống dẫn động bằng thủy lực cho xu páp

trên động cơ Bảng 2.2 trình bày ảnh hưởng của áp suất nguồn đến các giá

trị cực đại của chuyển vị, vận tốc, áp suất trong xi lanh thủy lực Để đảm

bảo hành trình xu páp không nhỏ hơn hành trình khi được dẫn động bằng

cơ khí (7mm đối với xu páp động cơ R180) thì phải chọn áp suất nguồn

thấp nhất là khoảng 2,0MPa, nhưng phải kể đến yếu tố: tốc độ tăng thì

hành trình này sẽ giảm (tham khảo bảng 2.1) Xuất phát từ nhu cầu thực tế

về hành trình lớn nhất của động cơ và thông qua bảng 2.2 cho phép ta lựa

chọn dải áp suất của hệ thống

2.4.3 ảnh hưởng của độ cứng lò xo xu páp đến quy luật động học của

xu páp dẫn động bằng thủy lực

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của độ cứng lò xo đến quy luật động học

của xu páp dẫn động bằng thủy lực được thể hiện trên hình 2.33, 2.34

Với một gía trị áp suất nguồn nuôi và tốc độ trục phân phối nhất định,

ảnh hưởng của độ cứng lò xo xu páp đến chuyển vị của xu páp cũng

Hình 2.33 : ảnh hưởng của độ cứng lò xo đến

chuyển vị của xu páp dẫn động bằng thủy lực

ảnh hưởng của độ cứng lò xo xu páp đến vận tốc

-600 -400 -200 0 200 400 600 800

Hình 2.34 : ảnh hưởng của độ cứng lò xođến vận tốc của xu páp dẫn động bằng thủy lực

Thông qua việc khảo sát ảnh hưởng của độ cứng lò xo đến chuyển vị của

xu páp cho phép lựa chọn loại lò xo thích hợp dùng trong hệ thống dẫn

động xu páp bằng thủy lực Tuy nhiên để đảm bảo khả năng chống tự mở của xu páp khi động cơ làm việc thì hệ số độ cứng của lò xo phải nằm trong dải 5,4N/mm đến 6,0N/mm [26] Kết quả khảo sát mô hình dẫn

động xu páp bằng thủy lực trên máy tính ở các chế độ khác nhau được thể hiện trên các bảng 2.4 đến 2.6

Bảng 2.4 : Hành trình lý thuyết của xu páp dẫn động bằng thủy lực [mm]

Bảng 2.6 : Pha lý thuyết của xu páp dẫn động bằng thủy lực [độ GQTK]

tiết diện" tăng khoảng 4 lần khi tăng áp suất nguồn từ 1,0 tới 2,5MPa và giảm không đáng kể khi tăng tốc độ trục phân phối (14% khi áp suất bằng 1,0MPa; 19,3% ở áp suất 2,5MPa khi tốc độ trục phân phối tăng từ 500vg/ph đến 800vg/ph - Tương ứng với tốc độ trục khuỷu của động cơ tăng từ 1000vg/ph tới 1600 vg/ph) Sự tăng nhanh hơn của trị số "thời gian tiết - diện" so với hành trình xu páp là pha phối khí tăng đáng kể (480 ở tốc độ 500vg/ph đến 670 ở tốc độ 800vg/ph khi tăng áp suất nguồn và tăng tốc độ trục phân phối) ở miền áp suất nguồn cao thì sự gia tăng được thể hiện rõ nét hơn

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm

3.1 Mục tiêu của nghiên cứu thực nghiệm

Việc nghiên cứu thực nghiệm nhằm các mục tiêu sau:

- Kiểm chứng mô hình toán học của đề tài

- Chế tạo mô hình thực và thí nghiệm để khảo sát ảnh hưởng của áp suất nguồn nuôi và tốc độ trục phân phối đến chuyển vị của xu páp dẫn động bằng thủy lực để có những giải pháp hoàn thiện hệ thống dẫn động:

3.2 Nội dung thí nghiệm