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

Chính vì vậy tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu sự tương tác và biến dạng của cặp pittông - xilanh động cơ đốt trong khi tăng áp” làm đề tài luận văn cao học.. Mục đích của đề tài được

MỞ ĐẦU

Cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền hiện đã được thừa nhận là một trong những

cơ cấu có mức rung động và tiếng ồn khá cao Nhiều công trình nghiên cứu đãđược thực hiện trong lĩnh vực động lực học, với mục đích giảm sự rung động của cơcấu, để bảo đảm sự làm việc êm dịu của động cơ

Lực tương tác gây ra bởi sự va đập của pittông với thành xilanh là một trongnhững nguồn ồn cơ khí chính của động cơ điêzen Đặc biệt, ngày nay vấn đề cườnghoá cho động cơ là hết sức cần thiết, một trong những biện pháp được coi là tối ưunhất là dùng biện pháp tăng áp cho động cơ Đây chính là tính thực tiễn và cấp thiếtcủa đề tài

Chính vì vậy tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu sự tương tác và biến dạng của cặp pittông - xilanh động cơ đốt trong khi tăng áp” làm đề tài luận văn

cao học

Mục đích của đề tài được thể hiễn rõ qua tên đề tài là nghiên cứu sự tươngtác và biến dạng của cặp pittông - xilanh động cơ đốt trong khi tăng áp, trên cơ sở

đó đánh giá được sức bền và khe hở của cặp pittông - xilanh động cơ tăng áp

Cấu trúc của luận văn gồm: Phần mở đầu; chương 1, 2, 3 và 4; tài liệu thamkhảo; phụ lục

Nội dung chính của luận văn:

Chương 1: Chủ yếu nghiên cứu tổng quan về động cơ tăng áp và sự tương táccủa cặp pittông - xilanh động cơ đốt trong

Chương 2: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của việc xây dựng mô hình tính toánnhiệt động của động cơ khảo sát và mô hình khảo sát sự tương tác giữa chúng

Chương 3: Đi sâu tính toán sự tương tác và biến dạng của cặp pittông - xilanh động cơ D6 sau tăng áp

Chương 4: Trình bày về kết luận và kiến nghị của luận văn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ, SỰ TƯƠNG TÁC

CỦA CẶP PITTÔNG - XILANH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

VÀ TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về động cơ tăng áp.

1.1.1 Tác động của tăng áp tới tính năng làm việc của động cơ

Tăng áp là biện pháp chủ yếu nâng cao công suất động cơ điezen Nếu ta

dùng một máy nén khí riêng để nén trước không khí rồi đưa vào xi lanh động cơ sẽlàm tăng mật độ không khí, qua đó tăng khối lượng không khí nạp vào xi lanh mỗichu trình, vì vậy sẽ là tăng công suất của động cơ cách làm ấy được gọi là tăng áp Tăng áp đối với động cơ xăng rất ít dùng biện pháp tăng áp vì dễ gây kích

nổ, còn ở động cơ điezen tăng áp là biện pháp chủ yếu để nâng cao công suất động

cơ tốt nhất

Trong thời gian gần đây, do có tiến bộ nhanh về kỹ thuật tua bin và máy nénnên phạm vi sử dụng tăng áp ngày một mở rộng và áp suất tăng áp pk ngày mộtnâng cao làm cho không những tăng tính năng động lực học của động cơ tốt hơnđộng cơ không tăng áp mà còn hạ thấp suất tiêu hao nhiên liệu

Nếu áp suất trung bình của động cơ điêzen không tăng áp pe thường khôngquá 0,7 - 0,9 Mpa thì pe của động cơ điêden tăng áp thấp nhất cũng đạt 1-1,2 Mpa,nếu nâng cao áp suất pk và làm lạnh trung gian cho không khí phía sau máy nén, đã

có thể đưa áp suất có ích trung bình pe của động cơ thực nghiệm tới 4 Mpa, cònnhiều động cơ tăng áp đang chế tạo hiện nay đã đạt pe 3 Mpa

1.1.2 Các phương pháp tăng áp chủ yếu:

Dựa vào nguồn năng lượng để nén không khí trước khi đưa vào động cơ,người ta chia các phương pháp tăng áp thành bốn nhóm sau đây:

1.1.2.1 Tăng áp dẫn động cơ khí :Phương pháp tăng áp bằng dẫn động cơ khí được trình bày trên hình 1.1

Truyền động từ trục khuỷu động cơ, qua bánh răng, xích hoặc dây đai dẫnđộng máy nén khí kiểu li tâm, kiểu roto, phiến gạt hoặc kiểu trục vít v.v

1.1.2.2 Tăng áp nhờ năng lượng khí thải

Nguồn năng lượng để nén không khí được lấy từ khí thải Nhóm này đượcchia làm hai loại:

Tăng áp tua bin khí: được trình bày như trên hình 1.2

Máy nén K được dẫn động bởi tua bin khí T, hoạt động nhờ năng lượng khíthải của động cơ Không khí từ ngoài trời qua máy nén được nén tới áp suất pk > porồi vào xi lanh của động cơ Do tăng áp tua bin khí được dẫn động nhờ năng lượngkhí thải không phải tiêu thụ công suất của động cơ như tăng áp cơ khí nên dẫn tới

có thể làm tăng tính kinh tế của động cơ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 3 -10

% Động cơ tăng áp cao thường nắp két làm mát trung gian để giảm nhiệt độ, qua

đó nâng cao mật độ không khí tăng áp đi vào động cơ.Khi hoạt động ở những vùngcao, công suất của động cơ tăng áp tua bin khí chỉ giảm rất ít so với trường hợp

không tăng áp, vì vậy phương án này thường được dùng rộng rãi trên vùng caonhằm hồi phục công suất động cơ Mặt khác tăng áp tua bin khí còn tạo điều kiệngiảm ồn, giảm thành phần độc hại trong không khí xả, do đó loại này đang được sửdụng nhiều nhất hiện nay Những động cơ điêzen từ 35 KW - 3500 KW phần lớnchiếm khoảng 70 -80% dùng tăng áp tua bin khí

Tăng áp bằng sóng khí:

Khí thải của động cơ tiếp xúc trực tiếp với không khí trên đường tới xi lanh,trong bộ tăng áp bằng sóng khí, để nén số không khí này trước khi được nạp vàođộng cơ

1.1.2.3 Tăng áp hỗn hợp :Trên một số động cơ, ngoài phần tăng áp tua bin khí còn dùng thêm một bộtăng áp dẫn động cơ khí Ví dụ trên động cơ hai kỳ, để có áp suất khí quét cần thiếtkhi khởi động cũng như chạy ở tốc độ thấp và tải nhỏ, phải sử dụng tăng áp hỗnhợp Tăng áp hỗn hợp được thực hiện theo hai phương án Lắp nối tiếp như trên hình1.3 và lắp song song như trên hình 1.4

1.1.2.4 Tăng áp nhờ hiệu ứng động của dao động áp suất:

Lợi dụng hiện tượng lưu động không ổn định của dòng khí trên đường ốngdẫn, do tính gián đoạn của các quá trình nạp, thải của động cơ gây ra bằng cách bốtrí hợp lý kích thước các đường nạp và thải nhằm làm tăng không khí nạp vào xilanh mỗi chu trình

Hình 1.3: Tăng áp hỗn

hợp mắc nối tiếp [10]

Hình 1.4: Tăng áp hỗn hợpmắc song song [10]

Trong thực tế sử dụng, ngoài bốn cách tăng áp chính kể trên còn có các hệthống tăng áp và phương án tổ hợp khác thích hợp cho từng trường hợp cụ thể đểthỏa mãn nhu cầu tăng áp cho động cơ.

Trong đề tài này tăng áp cho động cơ sử dụng biện pháp bua bin - máy nén

1.1.3 Sự thay đổi hiệu suất cơ giới của động cơ trước và sau khi tăng áp.

Sau khi tăng áp các thông số chỉ thị của động cơ thay đổi rất ít, nhưng cácthông số có ích như hiệu suất có íche và suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge củađộng cơ thay đổi rất nhiều so với trước khi tăng áp Như vậy sự thay đổi các thông

số có ích như e và ge là do sự thay đổi của hiệu suất cơ giới m sau khi tăng áp gây

ra Tính chất thay đổi của hiệu suất cơ giới m sau khi tăng áp chủ yếu phụ thuộcvào hệ thống tăng áp Ta đều biết công suất tổn thất của động cơ Nm rất ít phụ thuộcvào phụ tải mà chủ yếu phụ thuộc vào số vòng quay của dộng cơ, vì vậy có thể giảthiết gần đúng rằng: sau khi tăng áp nếu số vòng quay n của động cơ vẫn giữnguyên không đổi thì công suất tổn thất cơ giới của động cơ sẽ có giá trị giống nhưtrường hợp chưa tăng áp mT được tính như sau:

T K m eT

eT iT

eT iT

eT mT

N N N N

N N

N p

trong đó: NK và NT - công suất của máy nén khí và tuốc bin khí;

PeT và PiT - áp suất có ích và áp suất chỉ thị trung bình của động cơ saukhi tăng áp ;

Nếu gọi

e

eT e

eT T

N

N P

P





 ( khi n = const) là mức độ tăng áp của động cơ ( trong đó

pe và ne là áp suất có ích trung bình và công suất có ích của động cơ chưa tăng áp)

 công suất tương đối của máy nén khí và tuốc bin khí

so với công suất chỉ thị của động cơ chưa tăng áp, chia cả tử và mẫu cho biểu thức1-4 cho Ni ta được

m

m T T

K m e T

e T mT

N N N N

Nếu động cơ tăng áp bằng thiết bị máy nén khí tuốc bin khí quay tự do thì

m T mT

Qua công thức (1.3) ta thấy khi dùng biện pháp tăng áp bằng thiết bị máy nén

tuốc bin khi quay tự do đã làm cho hiệu suất cơ giới mT tăng lên rõ rệt

Trong trường hợp tăng áp tuốc bin khí có liên hệ cơ giới hoặc thủy lực hoặc

trường hợp tăng áp hỗn hợp, thì hiệu suất cơ giới của toàn bộ thiết bị sau khi tăng áp

sẽ là:

T K mđ iT

T K eT

N N N







       (1.4)Trong đó : K và T – công suất tương đối của máy nén khí tuốc bin khí so

với công suất chỉ thị của bản thân động cơ tăng áp

mđ – Hiệu suất của bản thân động cơ tăng áp qua công thức (1.4) ta thấy việc thay đổi về hiệu suất cơ giới của động cơ sau khi

tăng áp phụ thuộc vào K , T và sự thay đổi của mđ

1.2 Sự tương tác của cặp pittông - xilanh động cơ đốt trong

Để đảm bảo điều kiện làm việc bình thường của động cơ, giữa pittông và

xilanh bao giờ cũng có khe hở Tuy nhiên khi nghiên cứu về tương tác giữa pittông

và xilanh người ta đưa ra các mô hình nghiên cứu khác nhau Tuỳ theo mục đích

nghiên cứu mà người ta sử dụng các mô hình sau: Mô hình không có khe hở và

không có sự tương tác, mô hình có khe hở và không có sự tương tác, mô hình có

khe hở và có sự tương tác

1.2.1 Mô hình không có khe hở và không có sự tương tác.

Mô hình này được xây dựng để khảo sát bài toán động học và động lựchọc cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền với giả thiết giữa pittông và xilanh không cókhe hở, pittông và xilanh có độ cứng tuyệt đối, không có sự biến dạng trong quátrình làm việc (hình 1.5)

y 0

K

p A

Sy = A R (1.5)trong đó:

+ R- bán kính quay của trục khuỷu;

+ A = (1- cos) + 1( 1 cos)

  ; +  =

+  - góc nghiêng của đường tâm thanh truyền so với đường tâm xilanh;

Gia tốc của pittông là đạo hàm bậc hai của chuyển vị pittông theo thời gian:

Jy = R.2.E, (1.6)trong đó:

)cos(

Jy  R.2 (cos + .cos2) (1.7)Lực quán tính của các khối lượng tham gia chuyển động tính tiến của cơ cấu khuỷutrục - thanh truyền giao tâm được tính theo công thức chính xác (1.7) hoặc tính theocông thức gần đúng (1.9)

Lực tiếp tuyến T = P1





cos

)sin( 

(1.12)

Lực pháp tuyến Z = P1.





cos

)cos( 

(1.13)Lực tiếp tuyến T tạo ra mômen xoắn để làm quay trục khuỷu Mx = T.R mômen này

sẽ cân bằng với mômen cản đặt trên trục khuỷu và làm thay đổi tốc độ góc của trục.Lực ngang N tác dụng lên thân pittông, tạo ra mômen lật ML = N.H, tác dụng lên bệđộng cơ, gây ra rung động và mất cân bằng

1.2.2 Mô hình có khe hở, không tương tác

Như đã trình bày ở trên, để pittông có thể dịch chuyển bên trong xilanh, giữapittông và xilanh bao giờ cũng có khe hở Dưới tác dụng của lực ngang N sẽ làmcho thân pittông dịch chuyển theo phương ngang trong khe hở giữa pittông vàxilanh Mặt khác do đặc điểm kết cấu và phương án lắp ghép giữa pittông với chốtpittông và đầu nhỏ thanh truyền mà thân pittông còn thực hiện chuyển động “lắc”xung quay tâm chốt pittông Như vậy ngoài chuyển động chính (chuyển động tịnhtiến dọc theo đường tâm xilanh), thân pittông còn tham gia 2 chuyển động phụ vàchuyển động của thân pittông sẽ có 3 bậc tự do (hình 1.7)

Hình 1.6: Chuyển động của pittông trong khe hở giữa pittông – xilanh [7]

Để đặc trưng cho các chuyển vị ngang của thân pittông người ta sử dụng haitoạ độ suy rộng là et và eb, mô tả dịch chuyển ngang của các mặt phẳng phía trên củathân pittông (mặt AD) và mặt phẳng phía dưới của thân pittông (mặt BC) (hình 1.7)

Hình 1.7: Lực, mômen tác dụng lên pittông và chuyển động của pittông theo

phương x và hai toạ độ suy rộng et, eb [12]

Theo [5], [6], [10] phương trình vi phân mô tả chuyển động phụ của pittông khi cókhe hở và không tương tác có dạng ma trận như sau:

a, b, H - các kích thước hình học của pittông (hình 1.3);

mp, mC - khối lượng của pittông, chốt pittông;

IP - mômen quán tính của khối lượng pittông so với khối tâm của pittông;[mpt] =

(1 ) (1 )

( )(1 )

P p

 

 

  - ma trận véc tơ gia tốc của các toạ độ suy rộng của thân pittông;

{Fpt}- ma trận véc tơ lực tác dụng lên pittông

1.2.3 Mô hình có khe hở, có tương tác

Phương trình (1.14) là phương trình vi phân mô tả chuyển động phụ của thânpittông khi có khe hở và không tương tác Để mô tả chuyển động phụ của thânpittông khi có tương tác phải bổ sung vào phương trình (1.14) lực tương tác giữapittông và xilanh Mô hình khảo sát chuyển động phụ được xây dựng trên các giảthiết sau:

- Pittông chuyển động với 3 bậc tự do Chuyển vị của pittông theo phương đườngtâm xilanh được xác định theo phương trình (1.5) hoặc (1.7) Chuyển vị của thânpittông theo phương ngang được tính toán theo toạ độ suy rộng et và eb tương ứngvới các mặt phẳng ngang của thân pittông

- Xilanh có kết cấu vỏ trụ mỏng, được định vị trong thân máy bằng vành vai tựa Bỏqua sự biến dạng của các vành vai tựa khi làm việc

- Màng dầu bôi trơn trong khe hở giữa pittông và xilanh là môi trường trung giantruyền lực tương tác giữa pittông và xilanh Chuyển động phụ của thân pittông gây

ra va đập giữa pittông và xilanh

Phương trình vi phân mô tả chuyển động phụ của thân pittông khi có tương tácđược biểu diễn dưới dạng ma trận [6], [7], [12]:

FiN = Fđh + FC = - S[Kd(lt - XD)] - Cd(et XD ) (1.16)Nếu điểm tiếp xúc là điểm trên ở mặt tiếp xúc dưới của thân (điểm C)

FiN = Fđh + FC = - S[Kd(lb - XC)] - Cd(eb XC) (1.17)trong các biểu thức (1.16) và (1.17):

- Fđh, FC - lực đàn hồi và lực cản nhớt của màng dầu

Trong những năm gần đây đã có nhiều công trình khoa học được công bố về

sự ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu và sử dụng đến sự tương tác giữa pittông vàxilanh và ảnh hưởng của nó đến mức độ rung động, tiếng ồn và tuổi thọ của ống lótxilanh Trong các yếu tố về kết cấu, trước hết phải kể đến ảnh hưởng của độ lệchtâm chốt pittông, vị trí trọng tâm pittông và khe hở giữa pittông và xilanh [12]

Khe hở lắp ghép giữa pittông và xilanh được chọn theo nhiệt độ ban đầu khitính toán thiết kế T0 = 15oC Khi động cơ làm việc, các chi tiết pittông và xilanhđộng cơ bị nung nóng và gây nên sự giãn nở dài vì nhiệt của vật liệu, làm cho khe

hở nhiệt giữa pittông và xilanh thay đổi, đặc biệt là trong trường hợp pittông vàxilanh chế tạo bằng các loại vật liệu khác nhau Trong luận văn tác giả sẽ nghiêncứu về ảnh hưởng của phụ tải nhiệt, phụ tải cơ học ( áp suất khí cháy) của động cơsau tăng áp đến sự tương tác giữa pittông và xi lanh động cơ đốt trong

1.3 Một số kết quả nghiên cứu trong nước.

Từ những năm 90 của thế kỷ trước, các nhà khoa học Việt Nam đã bắt đầuchú ý đến nghiên cứu về dao động cơ cấu và máy Trong đó có thể kể đến các côngtrình nghiên cứu của GS Nguyễn Văn Khang và các cộng sự (ĐHBK Hà Nội) Cáctác giả chủ yếu đưa ra các mô hình lý thuyết nghiên cứu động lực học máy Việcthiết lập và giải các phương trình vi phân chuyển động và dao động chủ yếu đượctiến hành bằng giải tích với mô hình các cơ cấu hệ thống đơn giản, các cụm và cơcấu phức tạp hơn chưa được đề cập nhiều

Đối với động cơ đốt trong, việc nghiên cứu hoàn thiện các cụm, cơ cấu cũngđược đề cập trong một vài năm trở lại đây Trong đó, có thể kể đến đề tài nghiêncứu của Lương Công Nhớ (2000), Đại học Hàng hải Hải Phòng Nghiên cứu giảmrung cho động cơ D12 lắp trên tàu thuyền cỡ nhỏ, tác giả nghiên cứu lý thuyết cùngvới thực nghiệm Về lý thuyết, nghiên cứu rà soát sự không đồng đều về khối lượngcủa pittông khi thiết kế động cơ, xác định các lực quán tính cấp 1, 2 của khối lượngcác chi tiết chuyển động của pittông trong bốn xilanh và tính dao động của động cơtổng thành do nguồn kích thích này trước và sau rà soát thiết kế Kết quả được chỉ

ra là sự không đồng đều của khối lượng nhóm pittông là một trong các nguyên nhângây ra dao động động cơ

Năm 2001, Chu Văn Đạt ứng dụng mô hình siêu phần tử phẳng nghiên cứuđộng lực học cơ cấu tay quay con trượt có xét đến biến dạng đàn hồi của thànhtruyền, phương pháp PTHH được áp dụng để thiết lập các phương trình chuyểnđộng của cơ cấu Thuật toán được thiết lập và sử dụng ngôn ngữ lập trình C++ đểgiải bài toán Kết quả nhận được ở dạng số và đồ thị là các thông số động lực họccủa cơ cấu tay quay con trượt như các thông số : vị trí, vận tốc, gia tốc của cáckhâu, lực liên kết tại các khớp, chuyển dịch của các điểm do biến dạng của các điểmthuộc thanh truyền đàn hồi Phần mềm Alaska version 2.3 được ứng dụng để môphỏng động lực học cơ cấu tay quay con trượt trong quá trình nghiên cứu để minhchứng cho kết quả tính toán lý thuyết nêu trên Tác giả nhận xét rằng, trong một số

trường hợp biến dạng đàn hồi của một số khâu trong quá trình tính toán thiết kế máy

và cơ cấu là không thể bỏ qua

Năm 2005, Nguyễn Văn Đạt Trường Đại học thuỷ sản Nha Trang nghiên cứudao động của tấm sàn composit cố định động cơ tàu thuỷ từ các nguồn kích thíchtrong động cơ như : các cơ cấu, cụm pittông-thanh truyền-tay quay Đề xuất cácphương án giảm rung cho sàn động cơ Sử dụng phương pháp PTHH rời rạc hoá kếtcấu tấm sàn động cơ, tải trọng tác dụng lên tấm là các nguồn kích thích từ động cơnhư đã nêu, thuật toán và chương trình tính toán được giải thích bằng số trên máytính Kết quả nhận được là dao động của sàn composit Khuyến nghị một số giảipháp giảm rung cho sàn cố định động cơ

Năm 2009, ThS Lê Trường Sơn, PGS.TS Trần Minh, PGS.TS Hà QuangMinh [8] nghiên cứu ảnh hưởng của khe hở đến sự tương tác của cụm pittông -xilanh động cơ

Năm 2010, KS Nguyễn Trung Kiên, PGS.TS Lại Văn Định [2] nghiên cứuảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương tác của cặp pittông - xilanh động cơ đốttrong

Như vậy, ở nước ta đến thời điểm này chưa tìm thấy một nghiên cứu sâu nào

về tương tác và biến dạng của cụm pittông - xilanh động cơ tăng áp kể đến sự thayđổi áp suất của khí cháy trong xilanh Do đó, việc tiếp cận các cơ sở lý thuyết vàcông cụ hiện đại để giải quyết vấn đề này là có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

1.4 Kết luận chương 1 và tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Qua việc tổng quan về vấn đề nghiên cứu, ta có thể rút ra một số kết luận sau:

 Chuyển động thực của pittông trong xilanh động cơ là chuyển động phức tạp,ngoài chuyển động chính, còn các chuyển động trong khe hở giữa chúng (chuyểnđộng phụ) sinh ra lực va đập giữa pittông với thành xilanh Trong nhiều trường hợp,chuyển vị, vận tốc, gia tốc chuyển động phụ của pittông lớn lặp lại theo thời giangây rung ồn cơ khí, mài mòn và ăn mòn xâm thực cụm pittông - xilanh, giảm tuổithọ động cơ Đây là vấn đề trong thực tế kỹ thuật đặt ra nhiều bài toán cơ học chocác nhà thiết kế và khai thác sử dụng cần quan tâm nghiên cứu

 Việc nghiên cứu chuyển động phụ của pittông trong xilanh động cơ và sự tươngtác giữa chúng được phát triển mạnh vào những năm 90 của thế kỷ trước, do sự pháttriển của động cơ cao tốc, công suất trên một đơn vị công tác lớn và trọng lượngnhẹ Đã có nhiều công trình được công bố với những mô hình khác nhau Mỗi môhình đều chấp nhận những giả thiết nhất định và đáp ứng các mục đích nghiên cứuriêng lẻ của từng tác giả và mang tính chất công bố nên không có được các thuậttoán chi tiết, và được tạm chia theo ba mô hình đã nêu Tuy nhiên, với mô hìnhtương tác, hầu hết các nghiên cứu lý thuyết đều mô hình hoá dao động ngang của

cụm pittông - xilanh bằng các mô hình tương đương, chưa có lực thực của pittông

đặt lên thành xilanh.

 Dựa trên mô hình có khe hở và không tương tác, tác giả phát triển mô hình tínhtoán tương tác bằng việc bổ sung lực tương tác giữa chúng thông qua môi trườngtrung gian là màng dầu, xilanh coi là vỏ trụ mỏng kết cấu đàn hồi tuyến tính

 Như chúng ta đã biết, sau khi nâng cao công suất của động cơ, một trong nhữngviệc cần quan tâm nhất là sự tương tác và biến dạng của cặp pittông - xilanh như thếnào? Đây chính là nội dung mà luận văn tập trung giải quyết

 Với những kết luận rút ra ở trên, trong nội dung luận văn của mình tác giả tậptrung giải quyết những vấn đề sau: Đó là với sự tăng áp cho động cơ như vậy, nhiệt

độ môi chất có thay đổi không? Với nhiệt độ khí cháy thì khe hở giữa pittông vàxilanh thay đổi thế nào trong quá trình làm việc? Áp suất trong xilanh trước và sau

tăng áp chênh lệch nhau nhiều không? Nếu chênh lệch nhiều thì pittông và xilanhbiến dạng ra sao? Trạng thái ứng suất còn nằm trong giới hạn cho phép của vật liệukhông?

Những nội dung này sẽ được tác giả giải quyết trong các chương tiếp theo của luậnvăn

1.5 Bố cục của luận văn.

Luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận gồm 4 chương:

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN

NHIỆT ĐỘNG VÀ SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA PITTÔNG

VÀ XILANH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG.

2.1 Đặt vấn đề

Pittông và xilanh là những chi tiết có kết cấu phức tạp, chịu phụ tải lớn, đặcbiệt là phụ tải nhiệt và phụ tải cơ (áp suất khí cháy) Vì vậy việc tính toán xác địnhtrạng thái ứng suất nói chung và ứng suất do áp suất suất khí cháy nói riêng chopittông, xilanh là một bài toán hết sức cần thiết cho việc tối ưu hoá kết cấu Để xácđịnh trường ứng suất pittông và xilanh có nhiều phương pháp như: phương phápgiải tích, phương pháp gần đúng và phương pháp thực nghiệm

Trong quá trình tăng áp cho động cơ đốt trong, một trong những vấn đề cầnquan tâm chủ yếu là sự tương tác và biến dạng của cặp pittông - xilanh Đây cũngchính là nội dung chính của luận văn

Việc giải bài toán này dù tiến hành bằng phương pháp nào thì cũng phải dựatrên cơ sở xây dựng mô hình toán học để tính toán Trước đây việc xây dựng môhình toán học của các chi tiết động cơ thường chỉ dừng lại mô hình bài toán phẳng(2D) Hiện nay, do sự phát triển của công nghệ thông tin và các phương pháp tínhtoán hiện đại, mô hình 3D đã được ứng dụng rất rộng rãi để giải các bài toán kỹthuật và có thể dùng cho việc tính toán trường ứng suất của pittông và xilanh động

bao kín Phần thân có nhiệm vụ dẫn hướng cho pittông chuyển động trong xilanh vàchịu tác dụng của lực ngang N

R4

R69 R67.5

R8

36.31

R35+0-0..55

R3

-0.5

Hình 2.1: Kết cấu pittông động cơ D6

Pittông của động cơ thường có tính lặp theo quỹ đạo tròn và tính đối xứngmặt (đối xứng gương) Nên trong tính toán, để kết quả có độ chính xác cao, mô hìnhhình học pittông chỉ cần mô hình hoá phần đặc trưng đó của kết cấu

2.2.2 Mô hình hình học ống lót xilanh

Xilanh động cơ đốt trong có dạng hình trụ, kết cấu gồm các phần chính như:mặt gương (xilanh) tiếp xúc với môi chất công tác, chịu ma sát với xéc măng vàphần thân pittông Mặt ngoài xilanh tiếp xúc trực tiếp với nước làm mát

Ø172C4 -0.26

R1 R0.2 30° +5°-5°

Ø157 +0.2

100°

Hình 2.2: Kết cấu xilanh động cơ D6

Xilanh của động cơ có tính đối xứng trục, nên trong tính toán, để kết quả có

độ chính xác cao, mô hình hình học có thể đại diện bởi một mặt cắt ngang bất kỳ điqua trục đối xứng Do đó chúng ta sẽ sử dụng một lát mỏng 2D để thể hiện cả 3600của mô hình

2.3 Mô hình tương tác giữa pittông - xilanh động cơ đốt trong.

Việc nghiên cứu chuyển động của pittông trong xilanh động cơ và sự tươngtác giữa chúng khi kể đến ảnh hưởng của phụ tải nhiệt, phụ tải cơ ( áp suất khí cháy)như đã nêu trên là có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao Khảo sát sự tương tác giữapittông và xilanh thường được tiến hành trên ba mô hình: không có khe hở và khôngtương tác; có khe hở và không tương tác; có khe hở và có tương tác Tuỳ theo mụcđích nghiên cứu để lựa chọn mô hình, trong nội dung luận văn của mình tác giả lựachọn mô hình có khe hở và có tương tác Mô hình tương tác giữa pittông và xilanhđược giới thiệu trên hình 2.3 [6], [7], [8], [12]

Hình 2.3: Mô hình tương tác giữa thân pittông và thành xilanh [6], [7], [8], [12].Các giả thiết đặt ra nghiên cứu như sau:

- Pittông chuyển động với 3 bậc tự do trong xilanh Chuyển động của tâm chốtpittông theo phương y là đã biết quy luật và được xác định bằng các phương trình(1.5), (1.6) và (1.7) Chuyển động của thân pittông theo phương ngang, được chọntheo hai toạ độ suy rộng là et, eb Hình 2.3a

- Xilanh coi là vỏ trụ mỏng kết cấu đàn hồi tuyến tính, được rời rạc hoá bằngphương pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH) với các phần tử hình chữ nhật, số cácPTHH của kết cấu xilanh nằm trên quỹ đạo di chuyển của lực tương tác ở hai bênthành xilanh, trực tiếp nhận lực tương tác được chọn sao cho mặt phẳng phần tửvuông góc với phương tác dụng của lực tương tác (lực tương tác chỉ gây uốn phầntử) Xilanh được cố định trong khối thân máy với các dạng liên kết khác nhau (vị trícủa các gối tựa của xilanh trên thân máy là bất kì) Bỏ qua biến dạng tại các gối tựacủa xilanh trên thân máy

- Bao quanh mặt ngoài xilanh là lớp nước làm mát cho động cơ, được mô tả là nềnđàn hồi PTHH kết cấu xilanh liên kết với nền (áo nước) được mô hình hoá bằng