nghiên cứu sự tương tác và biến dạng của cặp pittông - xilanh động cơ đốt trong khi tăng áp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
==========






Tên đề tài:


NGHIÊN CỨU SỰ TƯƠNG TÁC VÀ BIẾN
DẠNG CỦA CẶP PITTONG – XI LANH ĐỘNG
CƠ ĐỐT TRONG KHI TĂNG ÁP








Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy



Học viên: Bùi Thị Ngọc Chiến
Lớp: CHK11 CTM

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
HDKH: TS. Lê Quốc Phong










Thái Nguyên - 2010
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

MỤC LỤC
trang
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU 1

Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ, SỰ TƢƠNG 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 2
1.1.1. Tác động của tăng áp tới tính năng làm việc của động cơ 2

1.1.2. Các phương pháp tăng áp chủ yếu 2
1.1.3. Sự thay đổi hiệu suất cơ giới của động cơ trước
và sau khi tăng áp 5
1.2. Sự tương tác của cặp pittông - xilanh động cơ đốt trong 6
1.2.1. Mô hình không có khe hở và không có sự tương tác 7
1.2.2. Mô hình có khe hở, không tương tác 9
1.2.3. Mô hình có khe hở, có tương tác 11
1.3. Một số kết quả nghiên cứu trong nước 13
1.4. Kết luận chương 1 và tổng quan về vấn đề nghiên cứu 15
1.5. Bố cục của luận văn 16



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Chƣơng 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN
NHIỆT ĐỘNG, SỰ TƢƠNG TÁC GIỮA PITTÔNG VÀ XILANH
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG.
2.1. Đặt vấn đề 17
2.2. Mô hình hình học cặp pittông và xilanh động cơ khảo sát.
2.2.1. Mô hình hình học pittông 18
2.2.2. Mô hình hình học ống lót xilanh 18
2.3. Mô hình tương tác giữa pittông - xilanh động cơ đốt trong 19
2.4. Phương trình tương tác giữa thân pittông với thành xilanh 22

Chƣơng 3
TÍNH TOÁN SỰ BIẾN DẠNG VÀ SỰ TƢƠNG TÁC CỦA CẶP
PITTÔNG - XILANH ĐỘNG CƠ SAU TĂNG ÁP.
3.1. Đối tượng và công cụ khảo sát

3.1.1. Đối tượng khảo sát 30
3.1.2. Công cụ khảo sát 33
3.2. Gi ới thiệu chung về Phần mềm ANSYS 33
3.2.1. Các mô đun chính của ASYS 34
3.2.2. Sơ đồ khối giải bài toán kỹ thuật bằng phần mềm ANSYS. 35
3.3.Phương pháp phần tử hữu hạn.
3.31. Khái niệm chung về phương pháp phần tử hữu hạn 36
3.3.2.Trình tự của bài toán giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn. 36
3.3.3. Phạm vi ứng dụng của phương pháp phần tử hữu hạn 37
3.3.4. Các hình dạng phần tử cơ bản 37
3.4. Tổng quan về phần mềm GT-Suite 40
3.5. Tính toán nhiệt động và động lực học động cơ khảo sát.
3.5.1. Xác định đối tượng 43
3.5.2. Mô hình động cơ khảo sát 44
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3.5.3 Kết quả tính toán 48
3.6. Sự thay đổi khe hở giữa pittông và xilanh và lực tương tác
giữa chúng khi kể đến phụ tải nhiệt 54
3.7. Khảo sát sự biến dạng và sức bền cặp pittông – xilanh và kết quả .
3.7.1. Xây dựng mô hình khảo sát và kết quả trạng thái ứng suất
và biến dạng xilanh 57
3.7.2. Xây dựng mô hình khảo sát và kết quả trạng thái ứng suất
và biến dạng pittông 62

Chƣơng 4
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
4.1. Kết luận 68
4.2. Kiến nghị: 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

PHỤ LỤC











Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN

Ký hiệu
Diễn giải
Thứ nguyên
A
Tâm chốt pittông
-
C
Hệ số phụ thuộc vào điều kiện cố định ống lót xilanh
-
c
Nhiệt dung riêng của vật liệu
J/kg.K
D
Đường kính xilanh

mm
E
Môđun đàn hồi của vật liệu
Mpa
F
Tiết diện truyền nhiệt vuông góc với hướng truyền
nhiệt
m
2
C
rd
Hệ số rung động
-
F
1N
Lực tương tác giữa pittông và thành xilanh
N
F
đh
Lực đàn hồi của màng dầu bôi trơn
N
F
C
Lực cản nhớt của màng dầu bôi trơn
N
'
p
k

Áp suất khí cháy phía trên đỉnh pittông

Pa
"
p
k

Áp suất khí cháy phía dưới đỉnh pittông
Pa
p
j
Lực quán tính của K.lượng chuyển động tịnh tiến
N
p
k
Lực khí thể tác dụng lên đỉnh pittôn
N

Góc quay của trục khuỷu trục so với đường tâm xilanh
Độ

Góc nghiêng của đường tâm thanh truyền so với
đường tâm xi lanh
Độ

Hệ số kết cấu
-

Tốc độ góc của trục khuỷu
Rad

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DÙNG TRONG LUẬN VĂN

Ký hiệu
Tiếng việt
PPPTHH
Phương pháp Phần tử hữu hạn
PTHH
Phần tử hữu hạn
PTVPTP
Phương trình vi phân từng phần


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
trang
Hình 1.1: Tăng áp dẫn động cơ khí 3
Hình 1.2: Các phương pháp tăng áp tuabin khí 3
Hình 1.3: Tăng áp hỗn hợp mắc nối tiếp 4
Hình 1.4 : Tăng áp hỗn hợp mắc song song 4
Hình 1.5: Mô hình tương tác giữa pittông - xilanh khi không có khe hở
và không tương tác 7
Hình 1.6: Chuyển động của pittông trong khe hở giữa pittông – xilanh 9
Hình 1.7: Lực, mômen tác dụng lên pittông và chuyển động của pittông
theo phương x và hai toạ độ suy rộng e
t

, e
b
10
Hình 2.1: Kết cấu pittông động cơ D6 18
Hình 2.2: Kết cấu xilanh động cơ D6 19
Hình 2.3: Mô hình tương tác giữa thân pittông và thành xilanh 20
Hình 2.4: Xilanh được rời rạc hoá bằng PTHH với các phần tử chữ
nhật-Phần tử chữ nhật kết cấu xilanh trên nền đàn hồi 22
Hình 2.5: Tương tác giữa thân pittông với phần tử kết cấu xilanh 23
Hình 3.1: Mặt cắt ngang động cơ D6 30
Hình 3.2: Bố trí động cơ D6 trong khoang động truyền lực trên xe 31
tăng T-76.
Hình 3.3: Sơ đồ khối giải bài toán kỹ thuật bằng phần mềm ANSYS 35
Hình 3.4: Ứng dụng GT-Power trong mô phỏng quá trình cháy 42
Hình 3.5: Ứng dụng GT-Power trong tính toán nhiệt 42
Hình 3.6: Ứng dụng GT-Power trong mô phỏng hệ thống nạp, xả 42
của động cơ (mô phỏng 1D-3D).
Hình 3.7: Ứng dụng GT-Power trong lựa chọn cụm tuabin - máy 42
nén cho động cơ khi tăng áp theo phương pháp tuabin - máy nén.
Hình 3.8: Mô hình tính toán nhiệt động động cơ khảo sát 45
Hình 3.9: Nhiệt độ môi chất công tác trong xilanh số 1 51
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 3.10: Nhiệt độ môi chất công tác trong xilanh số 2 51
Hình 3.11: Nhiệt độ môi chất công tác trong xilanh số 3 51
Hình 3.12: Nhiệt độ môi chất công tác trong xilanh số 4 51
Hình 3.13: Nhiệt độ môi chất công tác trong xilanh số 5 52
Hình 3.14: Nhiệt độ môi chất công tác trong xilanh số 6 52
Hình 3.15: Áp suất khí cháy trong xilanh số 1 52
Hình 3.16: Áp suất khí cháy trong xilanh số 2 52

Hình 3.17: Áp suất khí cháy trong xilanh số 3 53
Hình 3.18: Áp suất khí cháy trong xilanh số 4 53
Hình 3.19: Áp suất khí cháy trong xilanh số 5 53
Hình 3.20: Áp suất khí cháy trong xilanh số 6 53
Hình 3.21: Khe hở giữa pittông và thành xilanh tại toạ độ suy rộng 55
e
t
theo chuyển dịch của pittông.
Hình 3.22: Khe hở giữa pittông và thành xilanh tại toạ độ suy rộng 56
e
b
theo chuyển dịch của pittông.
Hình 3.23: ảnh hưởng của khe hở  đến lực tương tác tại vị trí e
t
57
Hình 3.24: Mô hình hình học xilanh 58
Hình 3.25: Mô hình phần tử hữu hạn xilanh 59
Hình 3.26: Biến dạng xilanh theo phương X 60
Hình 3.27: Biến dạng xilanh theo phương Y 60
Hình 3.28: Biến dạng xilanh theo phương Z 61
Hình 3.29: Biến dạng tổng hợp xilanh 61
Hình 3.30: Phân bố ứng suất chính (Von Mises Stress) xilanh 62
Hình 3.31: Mô hình hình học pittông 63
Hình 3.32: Mô hình phần tử hữu hạn pittông 64
Hình 3.33: Biến dạng pittông theo phương X, [mm] 65
Hình 3.34: Biến dạng pittông theo phương Y, [mm] 65
Hình 3.35: Biến dạng pittông theo phương Z, [mm] 66
Hình 3.36: Biến dạng tổng hợp pittông, [mm] 66
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 3.37: Phân bố ứng suất chính (Von Mises Stress) pittông 67










Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1
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 đã
được thực hiện trong lĩnh vực động lực học, với mục đích giảm sự rung động của cơ
cấu, 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 trong
những nguồn ồn cơ khí chính của động cơ điêzen. Đặc biệt, ngày nay vấn đề cường
hoá cho động cơ là hết sức cần thiết, một trong những biện pháp được coi là tối ưu
nhất là dùng biện pháp tăng áp cho động cơ. Đây chính là tính thực tiễn và cấp thiết
của 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 tương
tác 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 tham
khảo; phụ lục.
Nội dung chính của luận văn:
Chương 1: Chủ yếu nghiên cứu tổng quan về động cơ tăng áp và sự tương tác
của cặp pittông - xilanh động cơ đốt trong.
Chương 2: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của việc xây dựng mô hình tính toán
nhiệt 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.



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ, SỰ TƢƠNG 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 sẽ
làm tăng mật độ không khí, qua đó tăng khối lượng không khí nạp vào xi lanh mỗi
chu 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 nén
nên phạm vi sử dụng tăng áp ngày một mở rộng và áp suất tăng áp p
k
ngày một
nâng cao làm cho không những tăng tính năng động lực học của động cơ tốt hơn
động 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 p
e
thường không
quá 0,7 - 0,9 Mpa thì p
e
của động cơ điêden tăng áp thấp nhất cũng đạt 1-1,2 Mpa,
nếu nâng cao áp suất p
k
và làm lạnh trung gian cho không khí phía sau máy nén, đã
có thể đưa áp suất có ích trung bình p
e
của động cơ thực nghiệm tới 4 Mpa, còn
nhiều động cơ tăng áp đang chế tạo hiện nay đã đạt p
e
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:





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3
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 dẫn
động 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 được
chia 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 khí
thải của động cơ. Không khí từ ngoài trời qua máy nén được nén tới áp suất p
k
> p
o

rồi vào xi lanh của động cơ. Do tăng áp tua bin khí được dẫn động nhờ năng lượng
khí 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 vùng
cao, công suất của động cơ tăng áp tua bin khí chỉ giảm rất ít so với trường hợp

Hình 1.1: Tăng áp dẫn động cơ khí
1- Máy nén ; 2 - Hệ thống truyền
động ; 3- làm mát trung gian ;
4- bộ chế hòa khí; 5 - xăng
Hình 1.2: Các phương pháp tăng áp tua bin
khí [10]
a) Phương pháp tăng áp động cơ điêden
b),c) Phương pháp tăng áp động cơ xăng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4
không tăng áp, vì vậy phương án này thường được dùng rộng rãi trên vùng cao
nhằm hồi phục công suất động cơ. Mặt khác tăng áp tua bin khí còn tạo điều kiện
giảm ồn, giảm thành phần độc hại trong không khí xả, do đó loại này đang được sử
dụng nhiều nhất hiện nay. Những động cơ điêzen từ 35 KW - 3500 KW phần lớn
chiếm 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 vào
động 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 bộ
tăng áp dẫn động cơ khí. Ví dụ trên động cơ hai kỳ, để có áp suất khí quét cần thiết
khi khởi động cũng như chạy ở tốc độ thấp và tải nhỏ, phải sử dụng tăng áp hỗn
hợp. Tăng áp hỗn hợp được thực hiện theo hai phương án Lắp nối tiếp như trên hình
1.3 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 ống
dẫn, do tính gián đoạn của các quá trình nạp, thải của động cơ gây ra bằng cách bố
trí hợp lý kích thước các đường nạp và thải nhằm làm tăng không khí nạp vào xi
lanh mỗi chu trình.
Hình 1.3: Tăng áp hỗn
hợp mắc nối tiếp [10]
Hình 1.4: Tăng áp hỗn hợp
mắc song song [10]


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5
Trong thực tế sử dụng, ngoài bốn cách tăng áp chính kể trên còn có các hệ
thống tăng áp và phương án tổ hợp khác thích hợp cho từng trường hợp cụ thể để
thỏa 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 các
thông số có ích như hiệu suất có ích
e
và suất tiêu hao nhiên liệu có ích g
e
của
động cơ thay đổi rất nhiều so với trước khi tăng áp. Như vậy sự thay đổi các thông
số có ích như 

e
và g
e
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 thuộc
vào hệ thống tăng áp. Ta đều biết công suất tổn thất của động cơ N
m
rất ít phụ thuộc
vào phụ tải mà chủ yếu phụ thuộc vào số vòng quay của dộng cơ, vì vậy có thể giả
thiết gần đúng rằng: sau khi tăng áp nếu số vòng quay n của động cơ vẫn giữ
nguyên không đổi thì công suất tổn thất cơ giới của động cơ sẽ có giá trị giống như
trường hợp chưa tăng áp 
mT
được tính như sau:
TKmeT
eT
iT
eT
iT
eT
mT
NNNN
N
N
N
p

p



; (1.1)
trong đó: N
K
và N
T
- công suất của máy nén khí và tuốc bin khí;
P
eT
và P
iT
- áp suất có ích và áp suất chỉ thị trung bình của động cơ sau
khi 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
p

e
và n
e
là áp suất có ích trung bình và công suất có ích của động cơ chưa tăng áp)
và gọi
i
K
K
N
N

'

và
i
T
T
N
N

'

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 thức
1-4 cho N
i
ta được
 
''
11

TKTm
mT
TKmeT
eT
mT
NNNN
N









(1.2)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

6
Nếu động cơ tăng áp bằng thiết bị máy nén khí tuốc bin khí quay tự do thì

’
K
= 
’
T
do đó :
 

11 

Tm
mT
mT



(1.3)
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:
TKmđ
iT
TKeT
mT
N
NNN




(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.








Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

7
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 lực
học cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền với giả thiết giữa pittông và xilanh không có
khe hở, pittông và xilanh có độ cứng tuyệt đối, không có sự biến dạng trong quá
trình làm việc (hình 1.5).
x
'
K
p
''
K
N
P
1
T
K
Z
y
0
K
p
A


B

O

Hình 1.5: Mô hình tương tác giữa pittông - xilanh khi không có khe hở và không
tương tác [7], [10], [12].
Trong trường hợp này, chuyển động của pittông chỉ có một bậc tự do, đó là
chuyển động tịnh tiến qua lại của pittông dọc theo đường tâm xilanh (chuyển động
chính) theo quy luật:
S
y
= A. R (1.5)
trong đó:
+ R- bán kính quay của trục khuỷu;
+ A = (1- cos) +
)cos1(
1



;
+  =
L
R
: hệ số kết cấu, là tỉ số giữa bán kính quay của khuỷu trục R và
chiều dài L thanh truyền.
+  - góc quay của khuỷu trục so với đường tâm xilanh;

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8
+  - 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:
J

y
= R.
2
.E, (1.6)
trong đó:
E =




3
2
cos
cos.
cos
)cos(



Các công thức (1.1) và (1.2) là công thức chính xác để tính S
y
và J
y
.
Trong thực tế tính toán, người ta thường tính theo công thức gần đúng:
S
y
 R[(1- cos) +
4


(1- cos2)]
J
y
 R.
2
(cos + .cos2) (1.7)
Lực quán tính của các khối lượng tham gia chuyển động tính tiến của cơ cấu khuỷu
trục - thanh truyền giao tâm được tính theo công thức chính xác (1.7) hoặc tính theo
công thức gần đúng (1.9).
P
j
= - m
j
R
2
E (1.8)
P
j
 - m
j
R
2
(cos + .cos2) (1.9
Áp suất lực khí thể tác dụng lên pittông được xác định bằng hiệu số giữa áp suất
phía trên đỉnh pittông
'
p
k
và phía dưới pittông
"

p
k

p
k
=
'
p
k
-
"
p
k

Hợp lực
1
P
của các lực
p
k
và
j
P
tác dụng lên pittông và đặt tại trọng tâm của khối
lượng chuyển động tịnh tiến (điểm A hình 1.5) và được phân thành 2 thành phần:
Lực vuông góc với đường tâm xilanh:
N =
1
P
.tg (1.10

Lực tác dụng theo đường tâm thanh truyền:
K =
1
P
/cos (1.11)
Lực K đặt tại tâm chốt khuỷu và được phân thành 2 thành phần:
Lực tiếp tuyến T =
1
P
.


cos
)sin( 
(1.12)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9
Lực pháp tuyến Z =
1
P
.


cos
)cos( 
(1.13)
Lực tiếp tuyến T tạo ra mômen xoắn để làm quay trục khuỷu M
x

= 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 M
L
= N.H, tác dụng lên bệ
động 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, giữa
pittông và xilanh bao giờ cũng có khe hở. Dưới tác dụng của lực ngang N sẽ làm
cho thân pittông dịch chuyển theo phương ngang trong khe hở giữa pittông và
xilanh. Mặt khác do đặc điểm kết cấu và phương án lắp ghép giữa pittông với chốt
pittông 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 tịnh
tiến dọc theo đường tâm xilanh), thân pittông còn tham gia 2 chuyển động phụ và
chuyển 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 hai
toạ độ suy rộng là e
t
và e
b
, mô tả dịch chuyển ngang của các mặt phẳng phía trên của
thân pittông (mặt AD) và mặt phẳng phía dưới của thân pittông (mặt BC). (hình 1.7)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10

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

phương x và hai toạ độ suy rộng e
t
, e
b
[12].
Theo [5], [6], [10] phương trình vi phân mô tả chuyển động phụ của pittông khi có
khe hở và không tương tác có dạng ma trận như sau:
(1 ) (1 )
( )(1 )
pc
P
p
ba
mm
HH
I
b
m a b
HH

  



  



()
pc

p
p
ba
mm
HH
I
b
m a b
HH





  


 

e
e
t
e
b









=
Nf
Nf
F
pt
F F tg
MM
















; (1.14)
[m
pt
]
trong đó:

a, b, H - các kích thước hình học của pittông (hình 1.3);
m
p
, m
C
- khối lượng của pittông, chốt pittông;
I
P
- mômen quán tính của khối lượng pittông so với khối tâm của pittông;
[m
pt
] =
(1 ) (1 )
( )(1 )
pc
P
p
ba
mm
HH
I
b
m a b
HH

  



  




()
pc
p
p
ba
mm
HH
I
b
m a b
HH





  


- ma trận khối lượng của
pittông và chốt pittông;

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11
e





- ma trận véc tơ gia tốc của các toạ độ suy rộng của thân pittông;
{F
pt
}- 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 thân
pittông khi có khe hở và không tương tác. Để mô tả chuyển động phụ của thân
pittông khi có tương tác phải bổ sung vào phương trình (1.14) lực tương tác giữa
pittông và xilanh. Mô hình khảo sát chuyển động phụ được xây dựng trên các giả
thiết sau:
- Pittông chuyển động với 3 bậc tự do. Chuyển vị của pittông theo phương đường
tâm xilanh được xác định theo phương trình (1.5) hoặc (1.7). Chuyển vị của thân
pittông theo phương ngang được tính toán theo toạ độ suy rộng e
t
và e
b
tương ứng
với các mặt phẳng ngang của thân pittông.
- Xilanh có kết cấu vỏ trụ mỏng, được định vị trong thân máy bằng vành vai tựa. Bỏ
qua 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 gian
truyền 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 tác
được biểu diễn dưới dạng ma trận [6], [7], [12]:
(1 ) (1 )
( )(1 )

pc
P
p
ba
mm
HH
I
b
m a b
HH

  



  



()
pc
p
p
ba
mm
HH
I
b
m a b
HH






  


 

e
e
t
e
b








=
 
1
.
.
pt
N S f N

N S S f
F
F F F tg F
M F y M


  








;(1.15)
[m
pt
]
trong đó:
F
1N
là lực tương tác giữa pittông và thành xilanh. Theo [6], [7], [12] lực
tương tác giữa pittông và thành xilanh được xác định như sau:
Nếu điểm tiếp xúc là điểm ở mặt tiếp xúc phía trên của thân (điểm D)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12
F

iN
= F
đh
+ F
C
= - 
S
[K
d
(l
t
- X
D
)] - C
d
(
eX
t
D


) (1.16)
Nếu điểm tiếp xúc là điểm trên ở mặt tiếp xúc dưới của thân (điểm C)
F
iN
= F
đh
+ F
C
= - 

S
[K
d
(l
b
- X
C
)] - C
d
(
bC
eX


) (1.17)
trong các biểu thức (1.16) và (1.17):
- F
đh
, F
C
- lực đàn hồi và lực cản nhớt của màng dầu
- K
d
, C
d
- hệ số độ cứng và hệ số cản của màng dầu
- X
D
,
X

D

, X
C
,
X
C

- chuyển vị ngang và vận tốc chuyển vị ngang của các
điểm D, C
- 
S
- hệ số đặc trưng cho điều kiện làm việc (khi có va đập 
S
= 1; khi không
có va đập 
S
= 0).
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 và
xilanh và ảnh hưởng của nó đến mức độ rung động, tiếng ồn và tuổi thọ của ống lót
xilanh. Trong các yếu tố về kết cấu, trước hết phải kể đến ảnh hưởng của độ lệch
tâm 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 khi
tính toán thiết kế T
0
= 15
o
C. Khi động cơ làm việc, các chi tiết pittông và xilanh
động 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 và
xilanh chế tạo bằng các loại vật liệu khác nhau. Trong luận văn tác giả sẽ nghiên
cứu về ảnh hưởng của phụ tải nhiệt, phụ tải cơ học ( áp suất khí cháy) của động cơ
sau tăng áp đến sự tương tác giữa pittông và xi lanh động cơ đốt trong.






Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13
1.3. Một số kết quả nghiên cứu trong nƣớc.
Từ những năm 90 của thế kỷ trước, các nhà khoa học Việt Nam đã bắt đầu
chú ý đến nghiên cứu về dao động cơ cấu và máy. Trong đó có thể kể đến các công
trình nghiên cứu của GS. Nguyễn Văn Khang và các cộng sự (ĐHBK Hà Nội). Các
tác giả chủ yếu đưa ra các mô hình lý thuyết nghiên cứu động lực học máy. Việc
thiết lập và giải các phương trình vi phân chuyển động và dao động chủ yếu được
tiến hành bằng giải tích với mô hình các cơ cấu hệ thống đơn giản, các cụm và cơ
cấu phức tạp hơn chưa được đề cập nhiều.
Đối với động cơ đốt trong, việc nghiên cứu hoàn thiện các cụm, cơ cấu cũng
được đề cập trong một vài năm trở lại đây. Trong đó, có thể kể đến đề tài nghiên
cứu của Lương Công Nhớ (2000), Đại học Hàng hải Hải Phòng. Nghiên cứu giảm
rung cho động cơ D12 lắp trên tàu thuyền cỡ nhỏ, tác giả nghiên cứu lý thuyết cùng
với thực nghiệm. Về lý thuyết, nghiên cứu rà soát sự không đồng đều về khối lượng
của pittông khi thiết kế động cơ, xác định các lực quán tính cấp 1, 2 của khối lượng
các chi tiết chuyển động của pittông trong bốn xilanh và tính dao động của động cơ
tổng 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 nhân

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

14
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 cứu
dao động của tấm sàn composit cố định động cơ tàu thuỷ từ các nguồn kích thích
trong động cơ như : các cơ cấu, cụm pittông-thanh truyền-tay quay. Đề xuất các
phương án giảm rung cho sàn động cơ. Sử dụng phương pháp PTHH rời rạc hoá kết
cấu tấm sàn động cơ, tải trọng tác dụng lên tấm là các nguồn kích thích từ động cơ
như đã nêu, thuật toán và chương trình tính toán được giải thích bằng số trên máy
tính. Kết quả nhận được là dao động của sàn composit. Khuyến nghị một số giải
pháp giảm rung cho sàn cố định động cơ.
Năm 2009, ThS. Lê Trường Sơn, PGS.TS. Trần Minh, PGS.TS. Hà Quang
Minh [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 cứu
ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương tác của cặp pittông - xilanh động cơ đốt
trong.
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 thay
đổi áp suất của khí cháy trong xilanh. Do đó, việc tiếp cận các cơ sở lý thuyết và
công cụ hiện đại để giải quyết vấn đề này là có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.










Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15
1.4. Kết luận chƣơng 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 (chuyển
động 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 gian
gây rung ồn cơ khí, mài mòn và ăn mòn xâm thực cụm pittông - xilanh, giảm tuổi
thọ động cơ. Đây là vấn đề trong thực tế kỹ thuật đặt ra nhiều bài toán cơ học cho
các 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 tương

tác giữa chúng được phát triển mạnh vào những năm 90 của thế kỷ trước, do sự phát
triển của động cơ cao tốc, công suất trên một đơn vị công tác lớn và trọng lượng
nhẹ. Đã có nhiều công trình được công bố với những mô hình khác nhau. Mỗi mô
hình đều chấp nhận những giả thiết nhất định và đáp ứng các mục đích nghiên cứu
riêng lẻ của từng tác giả và mang tính chất công bố nên không có được các thuật
toán chi tiết, và được tạm chia theo ba mô hình đã nêu. Tuy nhiên, với mô hình
tương 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 tính
toán tương tác bằng việc bổ sung lực tương tác giữa chúng thông qua môi trường
trung 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 những
việc cần quan tâm nhất là sự tương tác và biến dạng của cặp pittông - xilanh như thế
nào? 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 tập
trung 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 và
xilanh thay đổi thế nào trong quá trình làm việc? Áp suất trong xilanh trước và sau

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

16
tăng áp chênh lệch nhau nhiều không? Nếu chênh lệch nhiều thì pittông và xilanh
biến dạng ra sao? Trạng thái ứng suất còn nằm trong giới hạn cho phép của vật liệu
không?
Những nội dung này sẽ được tác giả giải quyết trong các chương tiếp theo của luận
văn.
1.5. Bố cục của luận văn.
Luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận gồm 4 chương:

Mở đầu:
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.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình tính toán nhiệt động, sự tương tác
giữa pittông và xilanh động cơ đốt trong.
Chương 3: Tính toán sự biến dạng và sự tương tác của cặp pittông - xilanh động cơ
sau tăng áp.
Chương 4: Kết luận và kiến nghị.