Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.37: Phân bố ứng suất chính (Von Mises Stress) pittông 67 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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. [...]... 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 17 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG VÀ SỰ TƢƠNG TÁC GIỮA PITTÔNG VÀ XILANH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 2.1... 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... 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... 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... 0 của mô hình 2.3 Mô hình tƣơng tác giữa pittông - xilanh động cơ đốt trong Việc nghiên cứu chuyển động của pittông trong xilanh động cơ và sự tương tác 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 giữa pittông và xilanh thường được tiến hành trên ba mô hình: không có khe hở và không tương. .. 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 ge của động cơ thay đổi rất nhiều so với trước khi tăng áp Như vậy sự thay đổi... 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... cơ giới của động cơ sẽ có giá trị giống như trường hợp chưa tăng áp mT được tính như sau:  mT  trong đó: p eT N N eT  eT  ; piT N iT N eT  N m  N K  N T (1.1) 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 sau khi tăng áp ; Nếu gọi T  PeT N  eT Pe Ne ( khi n = const) là mức độ tăng áp của động cơ ( trong đó pe và. .. > 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 -1 0 % 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... suất cơ giới của toàn bộ thiết bị sau khi tăng áp sẽ là:  mT  N eT  N K  N T   mđ   K   T N iT (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 . 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. 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. 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