Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương tác của cặp piston xi lanh động cơ diesel lai máy phát điện tàu thủy

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT [Ce] Ma trận nhiệt dung riêng tại phần tử Fl Diện tích tiết diện ngang của mặt cắt ống lót [m2] G Mô đun đàn hồi trượt ngang của vật liệu [Pa] H Kh

NGUYỄN LÊ VĂN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ TẢI

TÔNG - XI LANH ĐỘNG CƠ DIESEL LAI

MÁY PHÁT ĐIỆN TÀU THỦY

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - NĂM 2014

NGUYỄN LÊ VĂN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ TẢI

TÔNG - XI LANH ĐỘNG CƠ DIESEL LAI

MÁY PHÁT ĐIỆN TÀU THỦY

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS, TS Đào Trọng Thắng

2 PGS, TS Lại Văn Định

HÀ NỘI - NĂM 2014

LỜ I CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả nghiên cứu và các kết luận nêu trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kì một nguồn nào và dưới bất cứ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Nguyễn Lê Văn

LỜ I CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn các thầy hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lại Văn Định, PGS.TS Đào Trọng Thắng đã tận tình hướng dẫn về phương pháp và nội dung nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận án Nhân dịp này, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy PGS.TS Hà Quang Minh, PGS.TS

Vy Hữu Thành, PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ, TS Nguyễn Trung Kiên thuộc

Bộ môn Động cơ, Khoa Động lực, Học viện KTQS đã có rất nhiều ý kiến đóng góp quý báu cho việc thực hiện luận án

Tác giả xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Động cơ, Khoa Động lực, Phòng Sau đại học, Học viện KTQS; Cục Kỹ thuật Hải quân, Nhà máy X46 Hải quân; các thầy, các nhà chuyên môn, các chuyên gia và các đồng nghiệp trong và ngoài Học viện KTQS cùng những người thân trong gia đình, bạn bè đã thường xuyên quan tâm, động viên, giúp đỡ nhiều mặt để tác giả hoàn thành luận án

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM Đ O A N i

LỜI CẢM Ơ N ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT T Ắ T vi

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ TH Ị xi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ SỰ TƯƠNG TÁC CỦA CẶP PÍT TÔNG - XI LANH VÀ PHỤ TẢI NHIỆT ĐỘNG C Ơ 4

1.1 Đặt vấn đề 4

1.2 Đặc điểm kết cấu và lắp ghép cặp pít tông - xi lanh động cơ diesel lai máy phát tàu thủy 5

1.2.1 Đặc điểm kết cấu của pít tông 5

1.2.2 Đặc điểm kết cấu của xi lanh 6

1.2.3 Đặc điểm lắp ghép của cặp pít tông - xi lanh 8

1.3 Các mô hình tương tá c 9

1.3.1 Mô hình không có khe hở và không có sự tương tác 9

1.3.2 Mô hình có khe hở, không có sự tương tác 10

1.3.3 Mô hình có khe hở, có tương tá c 15

1.4 Ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh 25

1.4.1 Đặc điểm của quá trình trao đổi nhiệt ở động cơ đốt trong 25

1.4.2 Trao đổi nhiệt giữa thành ống lót xi lanh và nước làm mát 26

1.4.3 Ảnh hưởng của rung động ống lót xi lanh đến cường độ trao đổi nhiệt 26

1.4.4 Các chỉ tiêu đánh giá phụ tải nhiệt 27

1.4.5 Ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến biến dạng và khe hở giữa pít tông và xi la n h 27

1.5 Lựa chọn mô hình tính to án 28

Kết luận chương 1 30

Chương 2 MÔ HÌNH KHẢO SÁT SỰ TƯƠNG TÁC CỦA CẶP PÍT TÔNG - XI LANH KHI XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ TẢI NHIỆT 31

2.1 Đặt vấn đề 31

2.3 Mô hình tính toán trường nhiệt độ pít tông và xi lanh 42

2.3.1 Mô hình hình h ọ c 42

2.3.2 Mô hình toán h ọ c 43

2.3.3 Các điều kiện biên của bài toán tính trường nhiệt đ ộ 45

2.3.4 Xác định trường nhiệt độ của pít tông và xi lanh 48

2.3.5 Biến dạng nhiệt của cặp pít tông và xi lanh 50

2.3.6 Xác định khe hở nhiệt giữa pít tông và xi lanh 51

2.4 Mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh 54

2.5 Lựa chọn phương pháp tính và phần mềm tính to á n 55

2.5.1 Các phương pháp tính toán trường nhiệt độ và lựa chọn phương pháp tín h 55

2.5.2 Các phương pháp tính toán tương tác của cặp pít tông - xi lanh 59

Kết luận chương 2 60

Chương 3 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ TẢI NHIỆT TỚI SỰ TƯƠNG TÁC CỦA CẶP PÍT TÔNG - XI LANH ĐỘNG CƠ 6Ч 12/14 61 3.1 Đặc điểm kết cấu của cặp pít tông - xi lanh động cơ 6Ч 12/14 61

3.1.1 Giới thiệu sơ bộ về động cơ 6Ч 12/14 61

3.1.2 Giới thiệu sơ bộ về kết cấu ống lót xi lanh của động cơ 6Ч 12/14 62

3.1.3 Đặc điểm kết cấu của pít tông động cơ 6Ч 12/14 63

3.2 Xây dựng mô hình tính toán cặp pít tông - xi lanh động cơ 6Ч 12/14 64

3.3 Xác định trường nhiệt độ và khe hở nhiệt của cặp pít tông - xi lanh động cơ 6Ч 12/14 65

3.3.1 Tính toán điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho bài toán xác định trường nhiệt đ ộ 65

3.3.2 Xác định trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt của cặp pít tông - xi la n h 79

3.3.3 Xác định khe hở nhiệt của cặp pít tông - xi lanh 83

3.4 Tính toán sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh động cơ 6Ч 12/14 85

3.4.1 Xây dựng sơ đồ thuật to án 85

3.4.2 Tính toán sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh động cơ 6Ч 12/14 khi không có ảnh hưởng của phụ tải nhiệt 88

3.4.3 Tính toán sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh

khi có ảnh hưởng của phụ tải nhiệt 91

3.5 Nhận xét, đánh giá kết quả 94

Kết luận chương 3 95

Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 96

4.1 Mục đích nghiên cứu 96

4.2 Trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thử nghiệm 96

4.2.1 Nguyên lí và đặc tính kĩ thuật của thiết bị đo nhiệt đ ộ 96

4.2.2 Nguyên lí hiệu chỉnh thiết bị đo nhiệt độ 103

4.2.3 Quy trình đo nhiệt độ cho thành ống lót xi lanh động c ơ 104

4.2.4 Trang thiết bị thử nghiệm 104

4.3 Đo nhiệt độ của thành ống lót xi lanh động cơ 6 ^ 12/14 108

4.3.1 Lựa chọn các vị trí đo 108

4.3.2 Phương pháp lấy số liệu 109

4.3.3 Kết quả đ o 110

4.4 Xử lí số liệu thực nghiệm 110

4.5 Đánh giá độ tin cậy của mô hình tín h 114

Kết luận chương 4 117

KẾT LUẬN vÀ k i ế n n g h ị 118

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 120

TÀI LIỆU THAM KHẢO 121

PHỤ LỤC 126

Phụ lục 1 Kết quả tính nhiệt độ, áp suất, hệ số truyền nhiệt và lực ngang của động cơ 6^12/14 bằng phần mềm Diesel - RK 127

Phụ lục 2 Hệ số trao đổi nhiệt và nhiệt độ tại các bề mặt tính toán của ống lót xi lanh và pít tông động cơ 6^12/14 130

Phụ lục 3 Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt của ống lót xi lanh và pít tông động cơ 6^12/14 ở chế độ (80, 40, 20)% tả i 132

Phụ lục 4 Chương trình tính chuyển động phụ bằng Matlab 134

Phụ lục 5 Ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh động cơ 6 ^ 12/14 ở chế độ 80%, 40% và 20% phụ t ả i 137

Phụ lục 6 Nhiệt độ thực nghiệm của ống lót xi lanh 142

Phụ lục 7 Biên bản thử nghiệm và một số hình ảnh thử nghiệm đo nhiệt độ ống lót xi lanh động cơ 6 ^ 12/14 145

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

[Ce] Ma trận nhiệt dung riêng tại phần tử

Fl Diện tích tiết diện ngang của mặt cắt ống lót [m2]

G Mô đun đàn hồi trượt ngang của vật liệu [Pa]

H Khoảng cách từ trọng tâm đến đáy pít tông [m]

IO Mô men quán tính của hệ pít tông đối với tâm của chốt

IO1 Mô men quán tính của hệ pít tông đối với trọng tâm [kg.m2]

jy Gia tốc của pít tông khi chuyển động tịnh tiến [m/s2]

k Hệ số phục hồi

[Ke] Ma trận dẫn nhiệt của phần tử

m1 Khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu khuỷu [kg]

trục thanh truyền

Mk Mô men lật của lực khí thể do pít tông quay quanh trục

N Lực ngang tác dụng vuông góc với thành xi lanh [N]

Nvd Lực va đập của pít tông lên ống lót xi lanh [N]

Pj Lực quán tính của các chi tiết tham gia chuyển động

Pk Lực khí thể [N]

Ptt Lực tác dụng dọc theo đường tâm thanh truyền [N]

Sy Chuyển vị của pít tông khi chuyển động tịnh tiến [m]

ag Hệ số trao đổi nhiệt bề mặt theo góc quay trục khuỷu [W/m2.K]

p Góc nghiêng của đường tâm thanh truyền so với đường

s Hiệu dịch chuyển của pít tông và độ lệch ống lót xi

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Đặc tính vật liệu của gang hợp kim chế tạo ống lót CЧ24-44 65Bảng 3.2 Đặc tính vật liệu của gang hợp kim chế tạo thân máy CЧ18-36 66Bảng 3.3 Đặc tính vật liệu của nhôm rèn A K 4 76Bảng 3.4 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu và nhiệt độ tại các bề mặt tính toán

của ống lót xi lanh động cơ 6Ч12/14 ở chế độ 100% tả i 80Bảng 3.5 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu và nhiệt độ tại các bề mặt tính toán

của pít tông động cơ 6Ч12/14 ở chế độ 100% tả i 80Bảng 3.6 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu và nhiệt độ tại các bề mặt tính toán

của ống lót xi lanh động cơ 6Ч12/14 ở chế độ 60% tả i 80Bảng 3.7 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu và nhiệt độ tại các bề mặt tính toán

của pít tông động cơ 6Ч12/14 ở chế độ 60% tải 81Bảng 3.8 Các thông số của hệ pít tông động cơ 6Ч 12/14

để tính chuyển động phụ 87Bảng 3.9 Giá trị ban đầu sử dụng tính lực va đập của pít tông với xi lanh ở

chế độ 100% tải không có ảnh hưởng của phụ tải nhiệt 90Bảng 3.10 Các thông số đầu vào dùng để tính lực va đập của pít tông

với xi lanh ở chế độ 100% tả i 92Bảng 3.11 Các thông số đầu vào dùng để tính lực va đập của pít tông

với xi lanh ở chế độ 60% tả i 93Bảng 3.12 So sánh ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến chuyển động phụ

của pít tông động cơ 6Ч 12/14 94Bảng 3.13 So sánh ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến lực va đập của pít tông

lên xi lanh động cơ 6Ч 12/14 95Bảng 4.1 Đặc tính của các loại cặp nhiệt 102Bảng 4.2 Các thông số môi trường thử nghiệm 110Bảng 4.3 Nhiệt độ tại các điểm đo của ống lót xi lanh động cơ 6Ч 12/14 tại

chế độ 60% tải 112Bảng 4.4 Nhiệt độ trung bình tại các điểm đo của ống lót xi lanh

động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ không tả i 113

Bảng 4.5 Nhiệt độ trung bình tại các điểm đo của ống lót xi lanh động cơ

6 ^ 12/14 ở chế độ 20% tải 113Bảng 4.6 Nhiệt độ trung bình tại các điểm đo của ống lót xi lanh động cơ

6 ^ 12/14 ở chế độ 40% tải 113Bảng 4.7 Nhiệt độ trung bình tại các điểm đo của ống lót xi lanh động cơ

6 ^ 12/14 ở chế độ 60% tải 114Bảng 4.8 So sánh nhiệt độ tính toán với nhiệt độ thực nghiệm của ống lót xi

lanh động cơ 6 ^ 12/14 tại đường kính 122 mm ở chế độ 20% tả i 114Bảng 4.9 So sánh nhiệt độ tính toán với nhiệt độ thực nghiệm của ống lót

xi lanh động cơ 6 ^ 12/14 tại đường kính 128 mm ở chế độ 20% tải 115Bảng 4.10 So sánh nhiệt độ tính toán với nhiệt độ thực nghiệm của ống lót

xi lanh động cơ 6 ^ 12/14 tại đường kính 122 mm ở chế độ 40% tải 115 Bảng 4.11 So sánh nhiệt độ tính toán với nhiệt độ thực nghiệm của ống lót

xi lanh động cơ 6 ^ 12/14 tại đường kính 128 mm ở chế độ 40% tải 115 Bảng 4.12 So sánh nhiệt độ tính toán với nhiệt độ thực nghiệm của ống lót

xi lanh động cơ 6 ^ 12/14 tại đường kính 122 mm ở chế độ 60% tải 116 Bảng 4.13 So sánh nhiệt độ tính toán với nhiệt độ thực nghiệm của ống lót

xi lanh động cơ 6 ^ 12/14 tại đường kính 128 mm ở chế độ 60% tải 116Bảng Pl2.1 Hệ số trao đổi nhiệt và nhiệt độ tại các bề mặt tính toán

của ống lót xi lanh động cơ 6^12/14 ở chế độ 80% tả i 130Bảng Pl2.2 Hệ số trao đổi nhiệt và nhiệt độ tại các bề mặt tính toán

của pít tông động cơ 6^12/14 ở chế độ 80% tả i 130Bảng Pl2.3 Hệ số trao đổi nhiệt và nhiệt độ tại các bề mặt tính toán

của ống lót xi lanh động cơ 6 ^ 12/14 ở chế độ 40% tả i 130Bảng Pl2.4 Hệ số trao đổi nhiệt và nhiệt độ tại các bề mặt tính toán

của pít tông động cơ 6^12/14 ở chế độ 40% tả i 131Bảng Pl2.5 Hệ số trao đổi nhiệt và nhiệt độ tại các bề mặt tính toán

của ống lót xi lanh động cơ 6 ^ 12/14 ở chế độ 20% tả i 131Bảng Pl2.6 Hệ số trao đổi nhiệt và nhiệt độ tại các bề mặt tính toán

của pít tông động cơ 6^12/14 ở chế độ 20% tả i 131

Bảng Pl5.1 Giá trị góc quay trục khuỷu, vận tốc, lực ngang sử dụng

tính lực va đập của pít tông với xi lanh ở chế độ 80% tả i 139Bảng Pl5.2 Giá trị góc quay trục khuỷu, vận tốc, lực ngang sử dụng

tính lực va đập của pít tông với xi lanh ở chế độ 40% tả i 139Bảng Pl5.3 Giá trị góc quay trục khuỷu, vận tốc, lực ngang sử dụng

tính lực va đập của pít tông với xi lanh ở chế độ 20% tả i 139Bảng Pl6.1 Nhiệt độ tại các điểm đo của ống lót xi lanh động cơ

6Ч 12/14 tại chế độ không tả i 142Bảng Pl6.2 Nhiệt độ tại các điểm đo của ống lót xi lanh động cơ

6Ч 12/14 tại chế độ 20% tả i 143Bảng Pl6.3 Nhiệt độ tại các điểm đo của ống lót xi lanh động cơ

6Ч 12/14 tại chế độ 40% tả i 144

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Kết cấu của một pít tông động cơ diesel lai máy phát tàu thủy 5

Hình 1.2 Lót xi lanh ướt 7

Hình 1.4 Mô hình không có khe hở và không tương tá c 10

Hình 1.5 Chuyển động của pít tông trong xi lanh khi có khe hở giữa pít tông - xi lanh 11

Hình 1.6 Mô hình của Cho S.H 15

Hình 1.7 Mô hình của Ruggiero A 16

Hình 1.8 Mô hình của Gerges S.N.Y 17

Hình 1.9 Mô hình của Geng Z 19

Hình 1.10 Mô hình xi lanh với hai dầm đứng cứng tuyệt đối 20

Hình 1.11 Mô hình thành xi lanh là hai dầm đàn hồi ngàm một đ ầ u 21

Hình 1.12 Lực tác dụng của pít tông phân bố trên thành xi lanh và xi lanh được rời rạc hóa bằng phần mềm N astran 21

Hình 1.13 Mô hình tương tác của pít tông với ống lót xi lanh khi va đập của Nikishin V.N 23

Hình 1.14 Mô hình của Lê Trường Sơn 24

Hình 2.1 Mô hình hình học tính toán va đập của pít tông với xi lanh 32

Hình 2.2 Sơ đồ lực tác dụng lên pít tông khi chuyển động ngang 34

Hình 2.3 Mô hình hình học của pít tông động cơ 6Ч 12/14 43

Hình 2.4 Mô hình hình học của ống lót xi lanh động cơ 6Ч 12/14 43

Hình 2.3 Sơ đồ xác định khe hở nhiệt giữa pít tông và xi lan h 52

Hình 3.1 Động cơ 6Ч 12/14 tăng áp lai máy phát điện 62

Hình 3.2 Hình dáng và kết cấu của ống lót xi lanh động cơ 6Ч 12/14 63

Hình 3.3 Hình dáng và kết cấu của pít tông động cơ 6Ч 12/14 64

Hình 3.4 Sơ đồ các vùng trao đổi nhiệt của ống lót xi lanh động cơ 6Ч 12/14 67

Hình 3.5 Mô hình tính toán chu trình động cơ 6Ч 12/14 bằng Diesel-RK 71

Hình 3.6 Mô hình trao đổi nhiệt khu vực vai tựa trên ống lót xi lanh động cơ 6Ч 12/14 73

Hình 3.7 Bề mặt trao đổi nhiệt của pít tông động cơ 6Ч 12/14 76

Hình 3.8 Sơ đồ thuật toán xác định trường nhiệt độ và biến dạng nhiệt 79Hình 3.9 Mô hình chia lưới phần tử hữu hạn cặp pít tông - xi lanh

động cơ 6Ч 12/14 81Hình 3.10 Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt ống lót xi lanh

động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 100% tả i 82Hình 3.11 Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt pít tông

động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 100% tả i 82Hình 3.12 Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt ống lót xi lanh

động cơ 6Ч12/14 ở chế độ 60% tả i 82Hình 3.13 Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt pít tông

động cơ 6Ч12/14 ở chế độ 60% tả i 83Hình 3.14 Khe hở nhiệt của cặp pít tông - xi lanh động cơ 6Ч 12/14

tại vị trí mặt cắt 1 84Hình 3.15 Khe hở nhiệt của cặp pít tông - xi lanh động cơ 6Ч 12/14

tại vị trí mặt cắt 2 84Hình 3.16 Khe hở nhiệt của cặp pít tông - xi lanh động cơ 6Ч 12/14

tại vị trí mặt cắt 3 85Hình 3.17 Sơ đồ thuật toán tính toán chuyển động phụ của

pít tông động cơ 6Ч 12/14 86Hình 3.18 Tọa độ trọng tâm và các khoảng cách y đến mặt cắt 1, 2, 3

của hệ pít tông động cơ 6Ч 12/14 87Hình 3.19 Vận tốc chuyển động ngang của pít tông trong khe hở xi lanhtại mặt cắt 1 và 2 của động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 100% tải 88Hình 3.20 Vận tốc chuyển động ngang tại mặt cắt 3 của pít tông

trong khe hở xi lanh của động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 100% tải 88Hình 3.21 Mô hình phần tử hữu hạn để tính toán va đập của pít tông

với xi lanh động cơ 6Ч 12/14 89Hình 3.22 Lực va đập của pít tông lên xi lanh của động cơ 6Ч 12/14

ở chế độ 100% tải 90Hình 3.23 Chuyển động ngang tại mặt cắt 1, 2 của pít tông

động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 100% tải 91

Hình 3.24 Chuyển động ngang tại mặt cắt 3 và góc quay trong khe hở

của pít tông động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 100% tả i 91

Hình 3.25 Chuyển động ngang tại mặt cắt 1, 2 của pít tông động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 60% tả i 92

Hình 3.26 Chuyển động ngang tại mặt cắt 3 và góc quay trong khe hở của pít tông động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 60% tả i 92

Hình 3.27 Lực va đập giữa pít tông với xi lanh động cơ 6Ч 12/14 với vmax ở chế độ 100% và 60% tải 93

Hình 3.28 Lực va đập giữa pít tông với xi lanh động cơ 6Ч 12/14 với v và N đều lớn ở chế độ 100% và 60% t ả i 93

Hình 3.29 Lực va đập giữa pít tông với xi lanh động cơ 6Ч 12/14 với Nmax ở chế độ 100% và 60% tả i 94

Hình 4.1 Nguyên lí đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt 97

Hình 4.2 Quy luật thông dụng chi phối các cặp nhiệt 98

Hình 4.3 Sơ đồ vòng lặp của hệ thống truyền nhiệt độ 100

Hình 4.4 Cặp nhiệt và vị trí so sánh có nhi ệt độ cố định 101

Hình 4.5 Sơ đồ mắc cặp nhiệt ngẫu vào thiết bị đo 101

Hình 4.6 Quy trình đo nhiệt độ ống lót xi lanh động cơ 6Ч 12/14 104

Hình 4.7 Động cơ 6Ч 12/14 và máy phát điện 105

Hình 4.8 Dàn điện trở dùng đo công suất máy p h á t 105

Hình 4.9 Sơ đồ bố trí các lỗ khoan lắp cảm biến trên 106

Hình 4.10 Cảm biến nhiệt độ lắp trên thân ống lót động cơ 6Ч 12/14 106

Hình 4.11 Sơ đồ các ống lót có cảm biến khi lắp vào động cơ 107

Hình 4.12 Sơ đồ lập trình thu, xử lí tín hiệu trên LabView của thiết bị thu, biến đổi và khuếch đại tín hiệu nhiệt độ CNĐ 107

Hình 4.13 Sơ đồ kết đo, thu, biến đổi và khuếch đại tín hiệu, xử lí và lưu trữ dữ liệu nhiệt độ ống lót xi lanh động cơ 6Ч 12/14 108

Hình 4.14 Cảm biến nhiệt độ được nối với thiết bị thu, biến đổi và khuếch đại tín hiệu nhiệt độ CNĐ 108

Hình 4.15 Xác định khoảng chia để biểu diễn tín hiệu 109

Hình 4.16 Sơ đồ tên các điểm đo nhiệt độ trên ống lót xi lanh động cơ 6Ч 12/14 111

Hình Pl 1.1 Nhiệt độ, áp suất và hệ số truyền nhiệt của động cơ 6Ч 12/14

ở chế độ 100% tải, 1500 v /p h 127Hình Pl1.2 Nhiệt độ, áp suất và hệ số truyền nhiệt của động cơ 6Ч 12/14

ở chế độ 80% tải, 1500 v /p h 127Hình Pl 1.3 Nhiệt độ, áp suất và hệ số truyền nhiệt của động cơ 6Ч 12/14

ở chế độ 60% tải, 1500 v /p h 127Hình Pl1.4 Nhiệt độ, áp suất và hệ số truyền nhiệt của động cơ 6Ч 12/14

ở chế độ 40% tải, 1500 v /p h 128Hình Pl1.5 Nhiệt độ, áp suất và hệ số truyền nhiệt của động cơ 6Ч 12/14

ở chế độ 20% tải, 1500 v /p h 128Hình Pl1.6 Lực ngang của động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 100% và 80%tải,

1500 v/ph 128Hình Pl1.7 Lực ngang của động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 60% và 40%tải,

1500 v/ph 129Hình Pl1.8 Lực ngang của động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 20%tải, 1500 v/ph 129 Hình Pl3.1 Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt ống lót xi lanh

động cơ 6Ч12/14 ở chế độ 80% tả i 132Hình Pl3.2 Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt pít tông động cơ

6Ч12/14 ở chế độ 80% tả i 132Hình Pl3.3 Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt ống lót xi lanh

động cơ 6Ч12/14 ở chế độ 40% tả i 132Hình Pl3.4 Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt pít tông động cơ

6Ч12/14 ở chế độ 40% tả i 133Hình Pl3.5.Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt ống lót xi lanh

động cơ 6Ч12/14 ở chế độ 20% tả i 133Hình Pl3.6 Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt pít tông động cơ

6Ч12/14 ở chế độ 20% tả i 133Hình Pl5.1 Chuyển động ngang tại mặt cắt 1, 2 của pít tông

động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 80% tả i 137Hình Pl5.2 Chuyển động ngang tại mặt cắt 3 và góc quay trong khe hở

của pít tông động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 80% tả i 137

Hình Pl5.3 Chuyển động ngang tại mặt cắt 1, 2 của pít tông

động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 40% tả i 138Hình Pl5.4 Chuyển động ngang tại mặt cắt 3 và góc quay trong khe hở

của pít tông động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 40% tả i 138Hình Pl5.5 Chuyển động ngang tại mặt cắt 1, 2 của pít tông

động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 20% tả i 138Hình Pl5.6 Chuyển động ngang tại mặt cắt 3 và góc quay trong khe hở

của pít tông động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 20% tả i 139Hình Pl5.7 Lực va đập giữa pít tông với xi lanh động cơ 6Ч 12/14

với vmax ở chế độ 80% và 40% tải 140Hình Pl5.8 Lực va đập giữa pít tông với xi lanh động cơ 6Ч 12/14

với vmax ở chế độ 20% tả i 140Hình Pl5.9 Lực va đập giữa pít tông với xi lanh động cơ 6Ч 12/14

với v và N đều lớn ở chế độ 60% và 40% t ả i 140Hình Pl5.10 Lực va đập giữa pít tông với xi lanh động cơ 6Ч 12/14

với v và N đều lớn ở chế độ 20% tải 141Hình Pl5.11 Lực va đập giữa pít tông với xi lanh động cơ 6Ч 12/14

với Nmax ở chế độ 60% và 40% tải 141Hình Pl5.12 Lực va đập giữa pít tông với xi lanh động cơ 6Ч 12/14

với Nmax ở chế độ 20% tả i 141Hình Pl7.1 Gia công lỗ khoan lắp cảm biến nhiệt độ tại Xưởng cơ khí,

Đại học Bách khoa Hà N ộ i 148Hình Pl7.2 Lắp cảm biến nhiệt tại Bộ môn Nhiệt, Viện công nghệ nhiệt,Đại học Bách khoa Hà N ộ i 148Hình Pl7.3 Lắp ống lót có cảm biến nhiệt vào động cơ thử nghiệm

tại Nhà máy X46 Hải quân 149Hình Pl7.4 Đo nhiệt độ ống lót xi lanh tại Nhà máy X46 Hải quân 149Hình Pl7.5 Thu dữ liệu đo nhiệt độ ống lót xi lanh

tại Nhà máy X46 Hải quân 150

M Ở ĐẦU

Việt Nam có bờ biển dài hơn 3000 km, vùng biển rộng gấp 3 lần đất liền với nhiều cửa sông, bến cảng trải dọc đất nước Do đó, việc phát triển một đội tàu vận tải nội địa hiện đại, phù hợp điều kiện đất nước là hết sức cần thiết Hơn nữa vùng biển Việt Nam có vị trí địa lí nằm án ngữ trên con đường hàng hải tấp nập bậc nhất thế giới tiềm ẩn nhiều nguy cơ, vì vậy chúng ta cần có một lực lượng chức năng được trang bị đủ mạnh làm nhiệm vụ bảo vệ chủ quyền đất nước Tất cả những điều này cho thấy cần phải đẩy mạnh nghiên cứu phát triển ngành công nghiệp đóng tàu Vì vậy, cần phải triển khai nghiên cứu một cách cơ bản về công nghệ đóng tàu, trong đó có nghiên cứu về động cơ tàu thủy

Trong động cơ diesel tàu thủy, cặp pít tông - xi lanh là một cụm chi tiết quan trọng, cơ bản Sự làm việc của pít tông trong xi lanh ảnh hưởng nhiều đến tình trạng hoạt động của động cơ Chuyển động của pít tông trong xi lanh có tính chu kì nhưng trong thực tế chuyển động này rất phức tạp Khi động cơ làm việc, pít tông chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương đường tâm xi lanh (chuyển động chính) và chuyển động trong khe hở giữa pít tông và xi lanh (chuyển động phụ) Chuyển động này ảnh hưởng lớn đến khối thân động cơ, gây ra các hiện tượng xấu như tăng giá trị nội lực, biến dạng của xi lanh, thúc đẩy quá trình mài mòn mặt gương xi lanh và ăn mòn xâm thực, phá hoại bề mặt ngoài Đồng thời lúc làm việc, pít tông còn chuyển động lắc với tần số cao, gia tốc lớn gây ra dao động ngang không mong muốn của xi lanh Tất cả các điều này tạo nên một sự tương tác phức tạp của cặp pít tông - xi lanh Sự tương tác vốn đã phức tạp lại càng phức tạp hơn do ảnh hưởng của phụ tải cơ nhiệt

Việc nghiên cứu sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh dưới sự ảnh hưởng của phụ tải cơ nhiệt đã được quan tâm trên thế giới nhờ sử dụng phương pháp số và các thiết bị đo hiện đại để mô hình hóa các dạng kết cấu của cặp pít tông - xi lanh Các kết quả nghiên cứu này được công bố dưới dạng các bài báo khoa học, không phản ánh đầy đủ các kết quả nghiên cứu

Do đó vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của phụ tải cơ nhiệt đến sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh để góp phần hoàn thiện việc tính toán thiết kế cặp pít

tông, xi lanh nói riêng và động cơ nói chung là cần thiết và có ý nghĩa khoa

học Vì vậy tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến

sự tương tác của cặp p ít tông - xi lanh động cơ diesel lai máy phát điện tàu thủy” làm hướng nghiên cứu cho luận án tiến sĩ.

Mục đích nghiên cứu của luận án: Phân tích, lựa chọn mô hình tính toán sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh; mô hình tính trường nhiệt độ, biến dạng nhiệt và xác định khe hở nhiệt của chúng ở các chế độ phụ tải khác nhau để tổng hợp thành mô hình xác định sự ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến

sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh động cơ diesel Tính toán ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến tương tác của cặp cặp pít tông - xi lanh động cơ diesel lai máy phát điện tàu thủy Các kết quả nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm nhằm góp phần hoàn thiện phương pháp đánh giá sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh động cơ diesel

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án: Đối tượng nghiên cứu

là cặp pít tông - xi lanh động cơ 6Ч 12/14 lai máy phát điện trên các tàu của Hải quân Việt Nam Đây là loại động cơ đang được sử dụng nhiều trong lực lượng Hải quân và có nhu cầu chế tạo các chi tiết thay thế Phạm vi nghiên cứu

là ảnh hưởng của phụ tải nhiệt biểu hiện qua khe hở giữa pít tông - xi lanh, đến

sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh động cơ diesel cao tốc lai máy phát điện tàu thủy ở chế độ vòng quay định mức mà cụ thể là ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến khe hở giữa pít tông - xi lanh

Phương pháp nghiên cứu của luận án: Kết hợp giữa nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm Trong đó, ưu tiên nhiều hơn cho lí thuyết

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:

Các kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện phương pháp đánh giá ảnh hưởng của phụ tải nhiệt được thể hiện qua trị số khe hở nhiệt, đến sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh động cơ diesel mà cụ thể là chuyển động phụ của pít tông, lực va đập của pít tông lên xi lanh

Đã xác định được ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh động cơ diesel 6Ч 12/14 tại các chế độ công tác, bổ sung các dữ liệu làm cơ sở đánh giá chất lượng hoạt động của động cơ

Bố cục của luận án: luận án gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận chung và kiến nghị các hướng nghiên cứu tiếp theo và phụ lục, trong đó:

Mở đầu: Giới thiệu tính cấp thiết của luận án; đối tượng nghiên cứu; mục tiêu nghiên cứu; phương pháp nghiên cứu; ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Chương 1 Tổng quan về sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh và phụ tải nhiệt của động cơ

Trình bày tổng quan về đặc điểm kết cấu và lắp ghép của cặp pít tông -

xi lanh động cơ tàu thủy, các mô hình tương tác của cặp pít tông - xi lanh động cơ và phụ tải nhiệt của động cơ cùng tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến vấn đề này Từ đó rút ra các nhận xét, đánh giá các

ưu nhược điểm để xác định mục tiêu nghiên cứu của luận án

Chương 2 Mô hình khảo sát sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh khi xét đến ảnh hưởng của phụ tải nhiệt

Trình bày cơ sở lí thuyết tính toán vận tốc chuyển động phụ của pít tông trong khe hở giữa pít tông và xi lanh, tính toán lực va đập của xi lanh khi

va đập bởi pít tông, cơ sở lí thuyết tính toán trường nhiệt độ của cặp pít tông -

xi lanh cùng với lựa chọn phần mềm tính toán cho các phần này

Chương 3 Khảo sát ảnh hưởng của phụ tải nhiệt tới sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh động cơ 6Ч 12/14

Giới thiệu sơ bộ về động cơ 6Ч 12/14 với cặp pít tông - xi lanh của nó Xác định các điều kiện biên và tính toán trường nhiệt độ, khe hở nhiệt của cặp pít tông - xi lanh Tính toán sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh của động

cơ 6Ч 12/14 khi xét đến ảnh hưởng của phụ tải nhiệt

Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm

Trình bày cơ sở thực nghiệm xác định trường nhiệt độ của ống lót xi lanh cùng các trang thiết bị phục vụ thí nghiệm Đo và xử lí số liệu thực nghiệm Đánh giá kết quả tính toán trường nhiệt độ với số liệu đo được

Kết luận và kiến nghị: Trình bày những kết quả chính và những đóng góp mới của luận án Kiến nghị các hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ S ự TƯƠNG TÁC CỦA

CẶP PÍT TÔNG - XI LANH VÀ PHỤ TẢI NHIỆT ĐỘNG CƠ

1.1 Đặt vấn đề

Trong thực tế, trong cặp pít tông - xi lanh của động cơ đốt trong luôn tồn tại khe hở, điều này làm cho chuyển động thực của pít tông trong xi lanh rất phức tạp Ngoài chuyển động chính là chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương đường tâm xi lanh còn có các chuyển động phụ như chuyển động xoay, lắc, chuyển động theo phương ngang v.v Dưới tác dụng của lực quán tính, lực khí thể cùng với các chuyển động phụ này, pít tông và xi lanh sẽ tương tác với nhau Điều này gây nên các hiện tượng không mong muốn như: va đập, ồn, rung, xâm thực, mài mòn làm giảm tuổi thọ, tính kinh

tế trong khai thác, sử dụng động cơ Việc nghiên cứu sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh có ý nghĩa quan trọng, do đó được nhiều nhà nghiên cứu quan

tâm Sự tương tác này rất phức tạp và rộng, trong phạm vi luận án này sự

tương tác của cặp pít tông - xi lanh được khảo sát gồm có: chuyển động phụ của p ít tông (chuyển động ngang và chuyển động xoay) trong khe hở giữa pít tông và xi lanh và lực va đập của p ít tông với xi lanh Khi nghiên cứu chuyển

động thực của pít tông trong xi lanh, các nhà khoa học cũng quan tâm tới các yếu tố ảnh hưởng đến sự tương tác này như yếu tố hình học, ảnh hưởng của phụ tải cơ, phụ tải nhiệt v v Phụ tải nhiệt có ảnh hưởng đến nhiều thông số của sự tương tác như ma sát, độ dày màng dầu bôi trơn, khe hở giữa các chi tiết chuyển động tương đối v.v Tuy nhiên, trong luận án này, chỉ khảo sát ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến khe hở giữa pít tông và xi lanh (khe hở nhiệt)

Như vậy, ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương tác trong luận án chính là

ảnh hưởng của sự thay đổi khe hở giữa pít tông và xi lanh do phụ tải nhiệt đến

sự tương tác của chúng.

Trong chương này sẽ trình bày đặc điểm kết cấu của cặp pít tông, xi lanh động cơ diesel lai máy phát tàu thủy, mô tả chuyển động thực của pít tông trong xi lanh động cơ diesel; tổng hợp một số kết quả nghiên cứu trong

và ngoài nước về các mô hình tương tác và phương pháp tính, cùng với các

yếu tố ảnh hưởng của phụ tải nhiệt Trên cơ sở đó, mục tiêu nghiên cứu của luận án sẽ được xác định.

1.2 Đặc điểm kết cấu và lắp ghép cặp pít tông - xi lanh động cơ diesel lai máy phát tàu thủy

Các tổ hợp máy phát điện trên tàu thường sử dụng động cơ diesel 4 kì có tốc độ định mức để lai máy phát điện Đặc điểm của các động cơ này là có tốc độ cao, công suất nhỏ (so với động cơ lai chân vịt); động cơ sử dụng các te khô; hệ thống làm mát bằng nước với hai vòng tuần hoàn, vòng trong sử dụng nước ngọt

để làm mát động cơ còn vòng ngoài sử dụng nước biển để làm mát nước ngọt và dầu bôi trơn Bộ điều tốc sử dụng điều tốc một chế độ, thay đổi tải bằng thanh răng bơm cao áp Nó khác so với các động cơ diesel lai chân vịt tàu thủy ở chỗ chỉ hoạt động ở một chế độ tốc độ định mức và có công suất nhỏ

1.2.1 Đặc điểm kết cấu của p ít tông

Theo các tài liệu [4], [10], [15], [25] pít tông của động cơ diesel lai máy phát tàu thủy chịu áp suất cực đại cao (7^9) MPa, khi tăng áp có thể lên đến 14 MPa

Do có tỉ số nén cao nên không gian buồng cháy của động cơ diesel phải gọn với tỉ lệ diện tích bề mặt/thể tích buồng cháy phải nhỏ để hạn chế tổn thất nhiệt Đỉnh của pít tông có dạng hợp lí, phù hợp với kiểu buồng cháy (Hình 1.1)

H ình 1.1 Kết cấu của một pít tông động cơ diesel lai máy phát tàu thủyThông thường pít tông động cơ diesel có 2^3 xéc măng khí và một đến hai xéc măng dầu Các xéc măng bố trí ở đầu pít tông nhưng khi có hai xéc măng dầu thì xéc măng dầu thứ hai thường bố trí phía dưới lỗ bệ chốt Để thoát dầu bôi trơn từ rãnh xéc măng dầu, người ta khoan các lỗ trên thành trong của rãnh xéc măng Với việc sử dụng xéc măng dầu bằng gang có tiết

diện đặc biệt thì người ta tiện mặt côn vát gờ dưới của rãnh để tạo rãnh gom dầu và từ đó dầu theo các lỗ khoan nghiêng thoát về các te.

Để chống biến dạng người ta tiện ô van, đúc lõm, phay vát mặt đầu hoặc đúc (dập, phay) các hốc lõm phía hai đầu bệ chốt Pít tông động cơ diesel không có rãnh bù trừ giãn nở nhiệt Các rãnh xéc măng khí, đặc biệt là rãnh xéc măng khí trên cùng của pít tông bằng hợp kim nhôm có thể được tăng cường bằng đai gang Vật liệu chế tạo pít tông thường bằng hợp kim nhôm, trong một số trường hợp bằng gang Phần dẫn hướng của pít tông có tiết diện dạng ô van

Pít tông động cơ diesel cao tốc lai máy phát tàu thủy thường dùng vật liệu chế tạo là hợp kim nhôm rèn Để giảm phụ tải nhiệt, mặt đỉnh có thể được phủ một lớp hạn chế trao đổi nhiệt Ngoài ra người ta còn dùng kiểu pít tông ghép với đỉnh bằng vật liệu chịu nhiệt và hệ số truyền dẫn nhiệt thấp như gang Một phương án khác là phun dầu làm mát đỉnh pít tông từ lỗ dẫn trên đầu nhỏ thanh truyền Pít tông động cơ diesel cao tốc lai máy phát tàu thủy thường có đường kính nhỏ (dưới З00 mm)

1.2.2 Đặc điểm kết cấu của x i lanh

Để thuận tiện cho việc lắp ráp, sửa chữa trên động cơ diesel lai máy phát tàu thủy người ta sử dụng ống lót xi lanh

Ong lót xi lanh động cơ diesel lai máy phát tàu thủy là loại lót ướt, kiểu lót dài Ưu điểm của loại ống lót này là hiệu quả làm mát xi lanh cao, kết cấu thân máy kiểu vỏ thân xi lanh chịu lực nên dễ đúc; việc sữa chữa, thay thế ống lót dễ dàng

Để chống rỉ, bề mặt ngoài của ống lót có thể được mạ một lớp cadimi hoặc crôm đục

Để đảm bảo bao kín, mặt đầu phía trên của ống lót được làm nhô lên cao hơn mặt đầu của thân máy và có thể có các rãnh vòng để khi xiết gu dông nắp máy, đệm nắp máy sẽ biến dạng và làm tăng khă năng bao kín Để tăng cường hiệu suất làm mát, người ta có thể làm những gờ trên bề mặt ngoài của ống lót

Hiện nay có hai loại lót ướt thông dụng: lót ướt có vai tựa trên và lót ướt có vai tựa dưới (Hình 1.2)

a) b)

Hình Ì.2 Lót xi lanh ướta) Lót xi lanh ướt vai tựa trênb) Lót xi lanh ướt vai tựa dướiÔng lót ướt vai tựa trên có độ cứng vững cao nhờ có thành gờ dày ở vùng chịu nhiệt độ và áp suất khí thể cao, dễ bảo đảm bao kín và ít bị biến dạng do ống lót có thể dịch chuyển tự do về phía hộp trục khuỷu khi bị giãn

nở nhiệt Tuy nhiên để thuận tiện cho công nghệ chế tạo, ống lót thường được tiện thành mặt trụ bậc Bề mặt ngoài ống lót còn có hai thành gờ dày (còn gọi

là đai để định tâm khi lắp ghép) Trên bề mặt gờ định tâm phía dưới có các rãnh vòng để lắp gioăng cao su bao kín nước và dầu Các rãnh vòng có thể được gia công lỗ định tâm của áo nước hoặc trên lỗ định tâm mà phía dưới có gia công ren để lắp đai ốc đặc biệt, khi xiết sẽ làm biến dạng các gioăng cao

su, tăng cường khả năng bao kín Đối với ống lót ướt của động cơ hai kì, gờ định tâm phía dưới được bố trí tại khu vực cửa sổ quét và phải có các rãnh lắp gioăng cao su bao kín

Nhược điểm của ống lót ướt vai tựa trên là vùng tiếp xúc với nhiệt độ

và áp suất cao của khí thể khó làm mát được đầy đủ do tồn tại vai tựa và gờ định tâm phía trên Nhược điểm này được khắc phục một phần bằng cách giảm tối đa chiều cao vai tựa và gờ lỗ định tâm cũng như tăng cường tốc độ chảy bao bọc của nước làm mát tại khu vực này Đối với động cơ tàu thủy cỡ lớn người ta còn làm lỗ trong ống lót ở phần đầu lót tiếp xúc với khu vực nhiệt

độ và áp suất cao, nước được dẫn vào và thoát ra ở trên nắp xi lanh

Ông lót ướt vai tựa dưới khắc phục được nhược điểm này của ống lót

ướt vai tựa trên bằng cách kết hợp hai chức năng vai tựa và định tâm cho gờ định tâm phía dưới Nước làm mát chảy bao bọc gờ phía trên của ống lót và nhờ vậy nó được làm mát tốt hơn Gờ phía trên không còn chức năng định tâm

mà chỉ có tác dụng đảm bảo độ cứng vững Như vậy chiều cao mặt trụ bậc định tâm phía dưới phải lớn hơn, đòi hỏi độ chính xác gia công cao hơn

Nhược điểm của ống lót ướt vai tựa dưới là nước làm mát dễ bị lọt vào bên trong xi lanh nếu đệm nắp máy không đủ dày và có độ đàn hồi cần thiết

Do bị chặn phía dưới nên khi làm việc ống lót giãn nở nhiệt theo chiều dài và nhô lên về phía nắp xi lanh làm cho đệm bị biến dạng thêm Khi động cơ nguội, ống lót co ngắn lại, nếu đệm nắp máy không đủ khả năng biến dạng đàn hồi trở lại thì dễ bị nước lọt qua Ngoài ra nếu ống lót không có độ cứng vững cần thiết

và không đảm bảo độ chính xác mối ghép giữa gờ định tâm của ống lót và lỗ định tâm trên áo nước thì ống lót dễ bị biến dạng, nghiêng lệch đi làm ảnh hưởng đến chất lượng làm việc của bộ pít tông - xéc măng - ống lót xi lanh

Những nhược điểm trên có thể khắc phục được và ống lót ướt vai tựa dưới làm kết cấu áo nước đơn giản hơn, cho phép dùng phương pháp đúc áp suất đối với khối vỏ thân xi lanh bằng hợp kim nhôm nên ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn Là loại ống lót tiếp xúc trực tiếp với nước làm mát, nó được lắp với thân máy bằng các vòng đai lắp ghép được gia công chính xác Ông lót ướt có gờ vai để định vị dọc trục trong thân máy

1.2.3 Đặc điểm lắp ghép của cặp p ít tông - x i lanh

Khi lắp pít tông với các xéc măng vào xi lanh, các xéc măng sẽ bung ra

để bao kín không gian thể tích buồng cháy không cho rò lọt khí cháy xuống các

te Khi động cơ làm việc, pít tông cùng với xéc măng chuyển động tịnh tiến qua lại theo đường tâm trong xi lanh Ông lót xi lanh được lắp vào thân máy, cố định không xoay, nhưng có thể giãn nở dọc trục Việc bôi trơn cho ống lót xi lanh được thực hiện bằng phương pháp vung té, với các động cơ cỡ lớn, thấp tốc còn được khoan lỗ dẫn dầu bôi trơn cho ống lót Phần dẫn hướng của pít tông có tác dụng định vị không cho pít tông bị lệch trong xi lanh Tuy nhiên, do luôn tồn tại khe hở nên chuyển động của pít tông trong xi lanh rất phức tạp Ma sát của hệ pít tông, xi lanh, xéc măng diễn ra phức tạp không kém

Ì.3 Các mô hình tương tác

Vấn đề tương tác của cặp pít tông - xi lanh đã được quan tâm nghiên cứu

từ những năm 40 của thế kỉ XX Những nghiên cứu này được thực hiện theo hướng nâng cao hiệu suất cơ khí và độ êm của chuyển động (giảm tiếng “gõ”

do va đập của pít tông và các tác động có hại khác) Tuy nhiên do hạn chế về công cụ tính toán và mức độ phức tạp của bài toán nên các nghiên cứu này chủ yếu được thực hiện bằng thực nghiệm và mô hình giải tích đơn giản [26], [27],[28], [30], [37], [39], [57]

Từ cuối thập niên 80 của thế kỉ XX, với sự phát triển của máy tính và cácphương pháp số cùng với các trang thiết bị thực nghiệm hiện đại thì việc nghiên cứu động học của pít tông trong xi lanh cùng với sự tương tác của chúng đã gần với thực tế hơn, có rất nhiều công trình có liên quan được công bố, tiêu biểu như: [18], [33], [34], [36], [41], [45], [47], [48], [52], [54], [56], [59], [60], [61] v.v

1.3.1 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 pít tông và xi lanh không có khe hở, pít tông và xi lanh có độ cứng tuyệt đối, không có sự biến dạng trong quá trình làm việc, bỏ qua khối lượng của xi lanh

Lúc này, chuyển động của pít tông chỉ có một bậc tự do là chuyển động tịnh tiến qua lại của pít tông dọc theo đường tâm xi lanh (chuyển động chính) Coi thành xi lanh và khối thân động cơ hoàn toàn không dao động [4], [9]

Trên Hình 1.3 là sơ đồ của mô hình Trong đó: p k, Pj, PZ, Ptt, N, со -

tương ứng là áp lực khí cháy tác dụng lên đỉnh pít tông, lực quán tính của các chi tiết tham gia chuyển động tịnh tiến, lực tổng hợp, lực tác dụng dọc theo đường tâm thanh truyền, lực ngang tác dụng vuông góc với thành xi lanh, vận tốc góc trục khuỷu

ĐGD

0

Hình 1.3 Mô hình không có khe hở và không tương tác

Trong mô hình này, lực ngang N do hợp lực của lực khí thể và lực quán

tính của nhóm pít tông được coi là nguyên nhân chủ yếu gây mài mòn cụm pít tông - xi lanh và tạo ra mô men lật động cơ (mô men này có trị số bằng nhưng ngược chiều với mô men quay trục khuỷu) Ngoài ra, lực ngang còn ép pít tông vào thành xi lanh gây ma sát trượt giữa chúng Mô hình này được ứng dụng trong nghiên cứu chuyển động chính của pít tông, động học, động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền và quy luật mài mòn do lực ngang gây ra với nhóm pít tông, xi lanh Mô hình này không xét đến lực va đập và dao động của thành xi lanh

1.3.2 Mô hình có khe hở, không có sự tương tác

Trong mô hình này, coi xi lanh cứng tuyệt đối (không có sự biến dạng của kết cấu thành xi lanh) Do có khe hở giữa pít tông và xi lanh nên chuyển động của pít tông trong xi lanh có 3 bậc tự do Trên hình 1.5 là các dạng chuyển động của pít tông trong khe hở giữa pít tông - xi lanh [18]

Hình 1.4 Chuyển động của pít tông trong xi lanh khi có khe hở

giữa pít tông - xi lanh [18]

Trên cơ sở các nghiên cứu trước đây cùng với sự phát triển của khoa học và phương pháp tính, việc nghiên cứu ứng dụng mô hình này đã có những đóng góp quan trọng cho việc hoàn thiện kết cấu nhóm pít tông, khe hở và màng dầu bôi trơn giữa chúng [33], [37], [41], [42], [44], [45], [47], [48], [49], [51], [58] Sau đây là một số kết quả nghiên cứu tiêu biểu dựa trên mô hình này được công bố gần đây:

Tác giả Haddad S.D cùng các cộng sự [39], [40], [41] đã sử dụng phương pháp giải tích để xây dựng cơ sở lí thuyết, lập thuật toán và chương trình tính nghiên cứu chuyển động của pít tông trong khe hở của xi lanh Tác giả sử dụng mô hình phẳng để mô tả các dạng tiếp xúc của pít tông với thành

xi lanh khi chuyển động trong khe hở, đồng thời thiết lập hệ phương trình vi phân xác định động năng của pít tông theo phương ngang gây xung va đập với thành xi lanh và phương trình đánh giá hiệu suất cơ khí, xây dựng thuật toán và chương trình tính để tính động năng tạo ra do va đập giữa pít tông và thành xi lanh Từ đó, đã nghiên cứu lựa chọn vị trí tối ưu của chốt pít tông và kết luận độ lệch tâm chốt pít tông là thông số ảnh hưởng nhạy cảm đến độ ồn, dao động và hiệu suất cơ khí Ngoài ra, kết quả ảnh hưởng của áp suất màng dầu bôi trơn đến mất mát động năng do va đập của pít tông được thể hiện ở dạng 3D cũng làm tăng tính trực quan của kết quả nghiên cứu

Nakashima K cùng các cộng sự [50] thuộc Công ty Mitsubishi Motor, Nhật Bản đã công bố kết quả nghiên cứu phương pháp giảm thiểu va đập pít

tông gây tiếng ồn trong động cơ diesel Trong nghiên cứu của mình, các tác giả

đã sử dụng phương pháp số để mô phỏng quá trình chuyển động của pít tông trong khe hở của pít tông - xi lanh, tiến hành khảo sát ảnh hưởng của vị trí khối tâm pít tông; độ lệch tâm chốt so với đường tâm pít tông; khe hở giữa pít tông

và xi lanh đến lực va đập của pít tông với thành xi lanh ở các chế độ và tải khác nhau Việc đánh giá lực va đập của pít tông lên thành xi lanh thông qua đánh giá mức tiếng ồn Trên cơ sở kết quả khảo sát các thông số pít tông, chế độ vận hành (tải, tốc độ) các tác giả đưa ra định hướng cho thiết kế như: vị trí khối tâm pít tông, vị trí bệ chốt pít tông ảnh hưởng đáng kể đến mức độ rung ồn do va đập pít tông trong các động cơ diesel cao tốc và trung tốc

Trong thời gian từ năm 2002 đến 2005, Tom J George và các cộng sự [56] thuộc trường Đại học tổng hợp Purdue, Thụy Điển đã thực hiện dự án

“Cải thiện bề mặt nhằm giảm tổn thất của động cơ” Các tác giả đã tiến hành nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm (thực hiện trong phòng thí nghiệm với động cơ loại nhỏ) Về lí thuyết, các tác giả sử dụng mô hình phẳng để nghiên cứu ma sát của xéc măng, thân pít tông với thành xi lanh Đối với pít tông, đã nghiên cứu và phân tích động học, động lực học chuyển động phụ của nó; đã thiết lập được hệ phương trình dạng ma trận mô tả chuyển động của hệ pít tông - thanh truyền - khuỷu trục; phương trình mô tả sự thay đổi của khe hở giữa pít tông và thành xi lanh trong một chu trình làm việc và sử dụng phần mềm Working Model 2D để giải phương trình động học, động lực học của pít tông, thanh truyền, khuỷu trục theo một chu trình công tác của động cơ Tác giả đã tiến hành thực nghiệm trên các thiết bị cơ điện tử để phân tích ảnh hưởng của đặc tính bề mặt các chi tiết (xéc măng, thân pít tông, mặt trong xi lanh ), bề dày màng dầu đến ma sát giữa chúng Kết quả nghiên cứu thực nghiệm dùng để kiểm chứng cho lí thuyết

Năm 2005 tác giả Mansouri S.H [48] cùng các cộng sự thuộc Học viện công nghệ Massachusetts, Mỹ đã công bố kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số thiết kế của pít tông đến chuyển động phụ của nó và ma sát giữa thân pít tông với thành xi lanh Các tác giả đã sử dụng phương pháp số

để nghiên cứu vấn đề này Khi xác định lực ma sát trượt giữa pít tông - xi lanh

có xét đến sự đàn hồi thủy động của màng dầu bôi trơn Bôi trơn bề mặt tiếp xúc giữa pít tông và xi lanh xét cả 3 dạng cơ bản (ướt, nửa ướt, khô) Ngoài ra còn nghiên cứu ảnh hưởng của độ nhám và dạng sóng bề mặt; biên dạng thân pít tông Các tác giả đã rút ra một số kết luận là: khe hở giữa pít tông - xi lanh

ít ảnh hưởng đến ma sát (khe hở tăng từ 50 - 100 ^m ma sát chỉ tăng xấp xỉ 20%, khe hở giảm xuống dưới mức giới hạn 50 ^m không cải thiện được ma sát) Do đó, khe hở là thông số ít “tiềm năng” cho nghiên cứu giảm ma sát Bề dày màng dầu là yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến ma sát Dạng sóng bề mặt tiếp xúc giữa pít tông và xi lanh cũng được coi là thông số thiết kế (vấn đề công nghệ gia công bề mặt chi tiết) có nhiều ảnh hưởng vì nó có quan hệ mật thiết đến việc hình thành màng dầu bôi trơn thủy động Ngoài ra, biên dạng và

độ cứng của thân pít tông cũng cần được quan tâm Tác giả còn chỉ ra tổn thất

ma sát lớn nhất (khoảng 80% toàn bộ chu trình) xảy ra ở hành trình cháy giãn

nở sinh công của động cơ

Trong giai đoạn 2002 đến 2006 nhóm tác giả Wong V.W., Tian T., Smedley G., Moughon L., Takata R, Jocsak J [58], [59], Học viện công nghệ Massachusetts, Mỹ tiến hành thực hiện dự án “Công nghệ giảm ma sát cho động cơ pít tông sử dụng khí tự nhiên tiên tiến” Trong dự án này, các tác giả nghiên cứu ma sát toàn bộ nhóm pít tông (thân, xéc măng) với thành xi lanh Các tác giả đã xây dựng được hệ phương trình mô tả chuyển động phụ của pít tông trong khe hở giữa pít tông - xi lanh Lực thủy động của màng dầu được xác định từ phương trình Reynolds 2 chiều có kể đến biên dạng, dạng sóng và

độ nhám của bề mặt thân pít tông, các mặt lưng xéc măng Các thông số kết cấu pít tông, xi lanh được khảo sát là: vật liệu chế tạo pít tông và ống lót xi lanh, biên dạng thân, độ nhám và dạng sóng bề mặt tiếp xúc, các tham số màng dầu bôi trơn Ngoài ra, các thông số vận hành như tải, vòng quay cũng được xem xét Các kết quả này được kiểm chứng bằng thực nghiệm với quy

mô lớn trên động cơ Waukesha VGF 18GL Các kết luận đưa ra gồm: biên dạng thân pít tông, các tham số động học chuyển động phụ của pít tông, các thông số động học của màng dầu bôi trơn cùng với các chế độ tải và tốc độ có ảnh hưởng đến ma sát của cụm pít tông - xi lanh

Năm 2007 Livanos G A và Kyrtatos N P [47] thuộc trường Đại học Quốc gia Athens, Hy Lạp đã công bố một mô hình nghiên cứu về ma sát của nhóm pít tông với xi lanh của động cơ diessel tàu thủy Tác giả sử dụng mô hình phẳng để nghiên cứu chuyển động phụ của pít tông với giả thiết tốc độ động cơ không đổi ở các chế độ công suất định mức và mô men xoắn định mức Các tác giả đã nghiên cứu toàn bộ ma sát của cặp pít tông - xi lanh gồm: các xéc măng, thân pít tông với thành xi lanh, ngoài ra còn tính đến ma sát và khe hở giữa chốt pít tông và bệ chốt Tác giả sử dụng phương trình Reynolds

2 chiều để mô tả sự thay đổi bề dày màng dầu theo các dạng chuyển động của pít tông trong khe hở và sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để rời rạc hóa màng dầu bôi trơn Sử dụng phầm mềm Matlab/Simulink để tính toán cho động cơ diesel 4 kì MAN B&W 5L16/24 gồm: chuyển động của thân pít tông theo phương ngang, lực ma sát giữa thân pít tông, các xéc măng với thành xi lanh, quy luật thay đổi lực thủy động khi khe hở và các chế độ vận hành thay đổi; tiến hành khảo sát ảnh hưởng của bề dày và độ nhớt của màng dầu bôi trơn, áp lực thủy động với các chế độ tải khác nhau đến hiệu suất cơ giới của động cơ và so sánh kết quả với một số phương pháp bán thực nghiệm khác

Năm 2009, Zhang Z [60] và các cộng sự thuộc trường Đại học Giao thông Thượng Hải, Trung Quốc đã công bố kết quả nghiên cứu về phân tích chuyển động phụ của pít tông khi xét đến sự thay đổi quán tính của hệ thống Các tác giả đã xây dựng một mô hình toán mới cho động học, động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền khi quán tính hệ thống thay đổi Đồng thời đã xây dựng mô hình động lực học chuyển động phụ của pít tông và dầu bôi trơn Kết quả nghiên cứu cho thấy sự thay đổi quán tính của hệ thống có tác dụng đáng

kể đến chuyển động phụ của pít tông và lực tác dụng lên thân pít tông Ngoài

ra, tốc độ động cơ và trọng tâm của thanh truyền có ảnh hưởng đáng kể đến chuyển động phụ của pít tông Các phân tích các vị trí trọng tâm thanh truyền

có thể được sử dụng để tối ưu hóa việc thiết kế thanh truyền Kết quả còn phân tích các thông số thiết kế khác như: chốt ngang, khe hở hướng kính và ảnh hưởng của độ nhớt dầu bôi trơn đến động lực học pít tông và sự bôi trơn

1.3.3 Mô hình có khe hở, có tương tác

Trong mô hình này, các công trình chủ yếu tập trung vào nghiên cứu các nguồn gây ồn, rung, nghiên cứu sự phá hoại của xâm thực, dao động của

hệ pít tông - xi lanh, các yếu tố ảnh hưởng đến chúng Trong các công trình này thường coi xi lanh là kết cấu đàn hồi, pít tông chuyển động trong khe hở gây va đập với thành xi lanh, cường độ rung động của thành xi lanh do chuyển động phụ của pít tông gây ra [18], [27], [30], [33], [53] v.v Sau đây

là một số công bố tiêu biểu trong thời gian gần đây:

Năm 2002, Cho S.H [33] và các cộng sự thuộc Viện Khoa học và Công nghệ tiên tiến Hàn Quốc đã công bố kết quả nghiên cứu mô hình tương tác theo phương ngang của cặp pít tông - xi lanh (Hình 1.5) Nghiên cứu được tiến hành bằng lí thuyết và thực nghiệm

H ình 1.5 Mô hình của Cho S.H

Các tác giả sử dụng mô hình phẳng để nghiên cứu chuyển động của pít tông với giả thiết tốc độ động cơ không đổi Theo đó chuyển động của pít tông trong khe hở của cặp pít tông - xi lanh có 3 bậc tự do theo x, y, 0, màng dầu bôi trơn giữa pít tông và xi lanh được mô tả bằng phương trình Reynolds, sau đó lấy giá trị trung bình của độ nhớt dầu Các tác giả đã xây dựng được hệ

3 phương trình vi phân thường mô tả chuyển động của pít tông trong xi lanh

và giải hệ Kết quả nhận được là gia tốc, chuyển vị ngang của pít tông, lực tác dụng vuông góc với thành xi lanh trong một chu trình công tác

Để xác định dao động ngang của cặp pít tông - xi lanh theo phương x, các tác giả đã mô hình hóa pít tông - màng dầu bôi trơn - xi lanh - áo nước

bằng một hệ dao động tuyến tính 2 bậc tự do với 2 trường hợp (có va đập và không có va đập) Đã thay thế khối lượng pít tông, xi lanh bằng thông số

m ,m ; Cc,kc,cc,kc,c0illần lượt là phần tử cản, phần tử đàn hồi thay thế màng

dầu khi có va đập, phần tử cản và đàn hồi thay thế áo nước làm mát xi lanh, phần tử cản thay thế màng dầu bôi trơn khi không có va đập giữa pít tông - xi

lanh và xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả dao động theo phương x của

cặp pít tông - xi lanh với lực kích động là lực ngang và lực va đập của pít tông theo phương x Để kiểm chứng kết quả nghiên cứu lí thuyết, các tác giả đã tiến hành đo dao động thành xi lanh và mức tiếng ồn trên động cơ một hàng 4

xi lanh bằng các đầu đo gia tốc được gắn ở thành xi lanh và thân động cơ với

bộ chuyển đổi gia tốc và lực Sử dụng động cơ điện để quay trục khuỷu ở 3 chế độ 400, 800, 1600 v/ph và so sánh với kết quả nghiên cứu lí thuyết Các tác giả kết luận với việc sử dụng mô hình dao động tuyến tính 2 bậc tự do tương đương để nghiên cứu dao động của cặp pít tông - xi lanh theo phương ngang khi tương tác cho kết quả tương đối phù hợp với kết quả thực nghiệm ở vùng tần số

và tốc độ khảo sát

Năm 2003, Ruggiero A [53] và cộng sự thuộc trường Đại học Salerno, Italia đã công bố mô hình số nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí khối tâm pít tông đến lực tác dụng lên thành xi lanh ở cả hai phía do chuyển động phụ của pít tông trong khe hở giữa pít tông và xi lanh gây ra (Hình 1.6)

Hình 1.6 Mô hình của Ruggiero A

Tác giả cũng sử dụng hệ phương trình tuyến tính 2 bậc tự do, tương tựnhư của Cho S.H [33], để mô tả tương tác giữa pít tông và xi lanh (pít tông xoay) trong trường hợp có va đập Khi không có va đập, dưới tác dụng của thanh

truyền, pít tông bị ép vào thành xi lanh Lúc này, tác giả sử dụng mô hình mô tả tiếp xúc pít tông (vật rắn) với xi lanh (vật rắn) thông qua màng dầu bôi trơn.

Chuyển động của pít tông trong khe hở được đánh giá bằng hai tọa độ

suy rộng et và eb mô tả trạng thái nghiêng của pít tông khi chuyển động trong khe hở Phương trình chuyển động của pít tông theo phương y được xây dựng

từ động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền có kể đến độ lệch tâm chốt pít tông so với đường tâm pít tông để xác định quy luật, mô tả vị trí tâm chốt pít

tông theo phương y trong một chu trình công tác Phương trình Reynolds 2

chiều được áp dụng để mô tả trạng thái màng dầu và sự bôi trơn thủy động có xét đến dạng sóng và độ nhám bề mặt tiếp xúc giữa pít tông và xi lanh Hệ phương trình được giải nhờ sử dụng phần tử ODE15s của Matlab Các tác giả

đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của khối tâm pít tông đến lực tác dụng lên thành xi lanh Kết quả nhận được là lực tác dụng về hai phía lên thành xi lanh

do va đập của pít tông gây ra trong một chu trình công tác của động cơ ở tốc

độ 3000 v/ph và chỉ ra rằng: khoảng cách từ khối tâm đến tâm chốt pít tông bằng 12 mm cho lực tác dụng lên thành xi lanh nhỏ nhất

Năm 2002, Gerges S.N.Y [35] thuộc trường Đại học Liên bang Santa Catarina, Brazil đã công bố kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của màng dầu bôi trơn đến lực va đập của pít tông do chuyển động phụ trong khe hở lên thành

xi lanh và khối thân động cơ (Hình 1.7)

Hình 1.7 Mô hình của Gerges S.N.Y

Nghiên cứu được tiến hành cả bằng lí thuyết và thực nghiệm Về lí thuyết, tác giả sử dụng lí thuyết Reynolds để nghiên cứu màng dầu bôi trơn giữa thân pít tông và thành xi lanh với mô hình phẳng 8 bậc tự do cho toàn hệ thống (gồm cơ cấu khuỷu trục thanh truyền, khe hở và màng dầu giữa pít tông

- xi lanh, khối thân máy) (Hình 1.7) và xác định thời điểm xảy ra va đập giữa

pít tông và xi lanh Tám bậc tự do bao gồm: các bậc tự do Xi, X 2 , X 3 mô tả xi

lanh và khối thân máy bằng hệ dao động tương đương với các khối lượng Mi,

M2, M3, các phần tử đàn hồi K1, K2, K3 và phần tử cản C1, C2, C3; bậc tự do x4

mô tả chuyển động ngang của pít tông trong khe hở; các bậc tự do в1, 62, ф1,

ф2 mô tả chuyển động lắc của pít tông trong xi lanh và khe hở giữa chúng

Phần tử đàn hồi và cản nhớt Kcr, Ccr thay thế cho độ đàn hồi của thanh truyền

và của màng dầu bôi trơn của thanh truyền và chốt khuỷu Phần tử đàn hồi và

cản nhớt Ko, Co được đưa vào để mô tả sự không đồng nhất của màng dầu do

sự xuất hiện các bọt khí trong dầu bị sôi ở nhiệt độ cao khi động cơ làm việc Tác giả tiến hành thực nghiệm một cách công phu với 3 thiết bị thử nghiệm độc lập được thiết kế riêng: thiết bị thứ nhất dùng để nghiên cứu ảnh hưởng của màng dầu bôi trơn đến sự tác động giữa hai vật rắn (pít tông và xi lanh); thiết bị thứ hai để nghiên cứu lực tác động của hệ pít tông - thanh truyền - khuỷu trục lên xi lanh và khối thân máy theo phương ngang; thiết bị thứ 3 để nghiên cứu xác định thời điểm xảy ra va chạm giữa pít tông với xi lanh khi pít tông quay trong khe hở giữa chúng Từ kết quả nghiên cứu, tác giả khẳng định rằng: sự không đồng nhất của dầu ảnh hưởng đáng kể đến dao động của xi lanh và khối thân động cơ Khi nghiên cứu dao động của cặp pít tông - xi lanh và khối thân động cơ do tác động của pít tông chuyển động trong khe hở tương tác với thành

xi lanh cần xem xét đến sự đàn hồi của thanh truyền

Năm 2005, Geng Z [36] và cộng sự thuộc trường Đại học Giao thông Thượng Hải, Trung Quốc công bố kết quả nghiên cứu dao động của động cơ

do lực kích thích từ pít tông chuyển động trong khe hở giữa pít tông - xi lanh Nghiên cứu được tiến hành bằng cả lí thuyết và thực nghiệm Tác giả sử dụng

mô hình phẳng (Hình 1.8) để nghiên cứu lí thuyết

a) b)Hình 1.8 Mô hình của Geng Z.

Trong mô hình này, để xác định lực ngang Px, tác giả sử dụng động học

cơ cấu khuỷu trục thanh truyền khi không kể đến khe hở giữa pít tông và xi lanh Với chuyển động theo phương X của toàn bộ cụm pít tông, xi lanh và

thân máy, tác giả sử dụng mô hình dao động 2 bậc tự do (x1, x2) phi tuyến, trong đó: mi, m 2 - khối lượng nhóm pít tông và xi lanh; Ci, ki 2 , kii lần lượt là

phần tử cản thay thế màng dầu giữa pít tông và các xéc măng, phần tử đàn hồi

tuyến tính thay thế cho độ cứng tiếp xúc giữa pít tông và xi lanh; k 2 , C 2 là phần

tử đàn hồi thay thế xéc măng, phần tử cản nhớt thay thế màng dầu giữa pít

tông và xi lanh; k3, c3 là phần tử đàn hồi thay thế độ cứng và cản nhớt của áo

nước; A - khe hở giữa pít tông và xi lanh Từ mô hình, đã thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả dao động của hệ tương đương theo phương x với kích động do xung va đập của pít tông chuyển động trong khe hở Hệ phương trình được giải hệ bằng phương pháp Runge - Kutta áp dụng cho động cơ diesel 4

kì 6190Zl C Kết quả nhận được là quỹ đạo pha dao động của hệ pít tông - xi lanh, đáp ứng trong miền thời gian dưới kích động của pít tông; sự kích thích

do va đập của pít tông trong miền thời gian của hệ với các giá trị thay đổi của khe hở giữa pít tông - xi lanh Thực nghiệm được tiến hành trên cùng động cơ

và được so sánh với kết quả lí thuyết Tác giả kết luận là mô hình lí thuyết đưa ra cho kết quả tương đối phù hợp với kết quả thử nghiệm Tuy nhiên, để kết quả phong phú hơn, phù hợp với chuyển động thực của pít tông cần kể đến chuyển động xoay của pít tông trong khe hở

Vào năm 2006 tác giả Siavoshani S.J [54] thuộc trường Đại học Oakland, Hoa Kỳ đã công bố kết quả nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm về liên hệ giữa

va đập của pít tông với dao động của kết cấu xi lanh và thân động cơ

Về mặt lí thuyết, tác giả xét 3 trường hợp, gồm: mô hình có khe hở và không tương tác với xi lanh được mô hình hóa bằng hai dầm đứng cứng tuyệt đối; mô hình có khe hở và có tương tác được mô hình hóa bằng hai dầm đứng kết cấu đàn hồi; mô hình tương tác với lực va đập của pít tông được mô hình hóa bằng các lực phân bố lên hai bên thành xi lanh, với xi lanh là vỏ mỏng đàn hồi được rời rạc hóa bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Hình 1.9 Mô hình xi lanh với hai dầm đứng cứng tuyệt đối

Trường hợp 1 (Hình 1.9): coi pít tông là khối lượng tập trung M, phần tử đàn hồi Kt thay thế cho độ cứng cục bộ của thành xi lanh, phần tử giảm chấn

Coii thay thế cho màng dầu cục bộ giữa pít tông - xi lanh, khoảng cách e là khe

hở giữa pít tông - xi lanh Mô hình này chỉ thể hiện chuyển động ngang của pít tông dẫn đến va đập với hai bên thành xi lanh Hệ phương trình vi phân được giải nhờ hàm ODE23s của Matlab, kết quả nhận được là quy luật chuyển động của pít tông trong khe hở và lực va đập của pít tông với thành xi lanh Trong trường hợp này, thành xi lanh hoàn toàn không dao động

Trường hợp 2 (Hình 1.10): Trong mô hình này tác giả coi thành xi lanh như hai dầm đứng đàn hồi với một đầu ngàm, một đầu tự do, pít tông là khối lượng tập trung chuyển động trong xi lanh như nêu trên

Hệ phương trình mô tả dao động uốn của dầm là phương trình đạo hàm riêng Hệ phương trình phi tuyến được giải bằng phương pháp Runge - Kutta trên Matlab Kết quả thu được là các thông số dao động của pít tông với thành

xi lanh theo phương ngang

Hình 1.10 Mô hình thành xi lanh là hai dầm đàn hồi ngàm một đầuTrường hợp 3 (Hình 1.11): Mô hình hóa lực va đập lên thành xi lanh bằng cách chuyển đổi lực va đập của pít tông thành hệ lực phân bố dọc theo hai bên thành xi lanh tại 32 nút phân bố không đều (16 nút cho mỗi bên), tương ứng với thời điểm va đập của thân pít tông trong một chu trình làm việc (7200GQTK) và chuyển qua miền tần số Tác giả sử dụng phần mềm Nastran

để rời rạc hóa kết cấu và phân tích phản ứng động của xi lanh do các lực va đập của pít tông gây ra

Kết quả của nghiên cứu lí thuyết nhận được là quy luật dịch chuyển ngang của pít tông trong khe hở theo thời gian, chuyển động ngang của pít tông cùng với dao động của thành xi lanh khi tương tác có kể đến góc nghiêng của pít tông và dao động của các điểm trên xi lanh do va đập của pít tông

Hình 1.11 Lực tác dụng của pít tông phân bố trên thành xi lanh và xi

lanh được rời rạc hóa bằng phần mềm N astran

Về thực nghiệm, tác giả ứng dụng công nghệ Grasshopper để đo dao động của thân máy bằng các đầu đo gia tốc tại các điểm tương ứng của va đập pít tông Kết quả đo được so sánh với các kết quả tính toán lí thuyết Từ đó tác giả rút ra nhận xét: có hai hướng nghiên cứu độ ồn do va đập của pít tông Hướng thứ nhất nghiên cứu chuyển động ngang, góc nghiêng và lực va đập Hướng này chưa hoàn thiện vì không đưa ra được mối liên hệ giữa kết quả và thực nghiệm, vì kết quả lí thuyết chỉ đưa ra chuyển động của pít tông, trong khi kết quả thực nghiệm chỉ đo dao động của thành xi lanh và thân máy Để

sử dụng hiệu quả hướng này cần phải đưa ra mối liên hệ giữa lực va đập của pít tông với dao động thân máy, tức là sử dụng mô hình tương tác Hướng thứ hai là mô hình hóa các thông số đó cùng với dao động của thân máy

Năm 2006, qua nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm, Nikishin V.N.[29] đã công bố kết quả nghiên cứu về va đập của pít tông lên thành xi lanh

do chuyển động phụ của nó

Về lí thuyết, tác giả xây dựng mô hình toán chuyển động phụ của pít tông trong khe hở và nghiên cứu lí thuyết va đập của pít tông lên thành xi lanh Hệ phương trình chuyển động phụ được xây dựng dựa trên phương trình

cơ bản của động lực học Vận tốc chuyển động ngang được tổng hợp từ chuyển động ngang tự do của pít tông, vận tốc dài khi pít tông chuyển động quay quanh trọng tâm của nó và vận tốc dài khi pít tông quay quanh tâm chốt pít tông Trong hệ phương trình này, thông số ảnh hưởng của khe hở giữa pít tông và xi lanh được thể hiện rõ ràng, trực quan trong cả vận tốc chuyển động ngang và góc xoay của pít tông, tuy nhiên, tác giả chỉ khảo sát ảnh hưởng của khe hở này đến chuyển động phụ của cặp pít tông - xi lanh bằng cách cho khe

hở này là những hằng số không thay đổi theo hành trình của pít tông cũng như không có ảnh hưởng của phụ tải nhiệt

Tác giả đã sử dụng lí thuyết va đập của Timosenko S.P để xây dựng phương trình tính lực va đập của pít tông lên xi lanh (Hình 1.12)

Hình 1.12 Mô hình tương tác của pít tông với ống lót xi lanh khi va đập

của Nikishin V.N

Ong lót, đầu tiên nằm ở trạng thái tĩnh, bị va đập bởi khối lượng m với

vận tốc Vo Khoảng cách của pít tông và ống lót bằng hiệu dịch chuyển của pít

tông Sp và sự lệch của ống lót SL Kết quả nhận được phương trình tính toán

hiệu dịch chuyển £ Giải phương trình này sẽ xác định được sự phụ thuộc của lực va đập và thông số dao động của xi lanh và pít tông theo thời gian

Tác giả cũng tiến hành thực nghiệm đo chuyển động ngang thứ cấp của pít tông và dao động của xi lanh trên họ động cơ Kamaz 740 Qua việc so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả nghiên cứu lí thuyết, tác giả rút ra nhận xét như sau: Lực va đập phụ thuộc vào thời gian; kết quả thực nghiệm và tính toán chuyển động phụ của pít tông, dao động của ống lót trùng khớp nhau; xê dịch trục chốt pít tông sẽ làm giảm độ rung của xi lanh và tiếng ồn của động cơ

Năm 2010, tác giả Lê Trường Sơn [18] thuộc Học viện Kỹ thuật quân sự, Việt Nam đã công bố kết quả nghiên cứu của mình Trong nghiên cứu của mình, tác giả đã sử dụng nguyên lí Đa lăm be để xây dựng hệ phương trình dao động

Để xây dựng mô hình chuyển động phụ của pít tông, tác giả sử dụng mô hình có khe hở không tương tác Để mô hình hóa sự tương tác của pít tông đối với xi