Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Động cơ đốt trong đóng vai trò nền tảng trong các ngành kinh tế và kỹ thuật giao thông vận tải, là nguồn động lực chính trang bị trên ô tô, máy kéo, xe máy, tàu thủy, máy bay và các trạm máy công tác như máy phát điện, máy bơm nước. Đi cùng với sự phát triển phương tiện, vấn đề kiểm soát phát thải và nâng cao hiệu suất làm việc của động cơ ô tô nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường tại các khu đô thị đặt ra yêu cầu tính toán, thiết kế và kiểm nghiệm kết cấu một cách chặt chẽ.
Đồ án môn học "Tính toán động cơ đốt trong" do sinh viên Nguyễn Danh Nhân (Lớp Đại học Ô tô K12B, Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh) thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Văn Đại. Đề tài tập trung giải quyết bài toán tính toán chu trình nhiệt động lực học và kết cấu động cơ đốt trong trang bị trên dòng xe Audi với các nhiệm vụ cụ thể:
- Tính toán chu trình công tác của động cơ: Xác định các thông số nhiệt động tại các điểm đặc trưng của chu trình (nạp, nén, cháy, giãn nở, thải), đánh giá các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật và kiểm nghiệm kích thước xi lanh.
- Tính toán động học và động lực học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền: Xây dựng quy luật chuyển vị, vận tốc, gia tốc piston; phân tích các lực khí nén, lực quán tính, lực tiếp tuyến, lực pháp tuyến và xác định mômen tổng của động cơ nhiều xi lanh.
- Phân tích phụ tải tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu: Dựng đồ thị véc-tơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu và đầu to thanh truyền, xác định trị số phụ tải trung bình và kiểm tra hệ số va đập.
- Thiết lập thông số kiểm nghiệm bền chi tiết: Xác định các kích thước hình học, khối lượng và khoảng cách trọng tâm của trục khuỷu (cổ trục, chốt khuỷu, má khuỷu, đối trọng).
- Thể hiện kết quả đồ giải: Trình bày đồ thị động học và động lực học trên giấy kẻ ly khổ A0, cùng các bản vẽ chi tiết theo tỷ lệ quy định.
Phạm vi nghiên cứu giới hạn trên đối tượng động cơ xăng 4 kỳ, 4 xi lanh thẳng hàng không tăng áp của hãng Audi, thực hiện theo kế hoạch đồ án môn học chuyên ngành Công nghệ Ô tô năm 2020.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết chu trình công tác nhiệt động thực tế của động cơ đốt trong, kết hợp giải tích toán học với các phương pháp đồ giải kỹ thuật truyền thống:
- Lý thuyết nhiệt động học động cơ đốt trong: Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt và các quá trình biến đổi trạng thái của môi chất công tác. Sử dụng các phương trình nhiệt dung mol đẳng tích trung bình của không khí và sản phẩm cháy đối với hỗn hợp nghèo/giàu nhiên liệu ($\alpha \ge 1$ hoặc $\alpha < 1$).
- Phương pháp đồ thị Brick: Ứng dụng vòng tròn Brick để hiệu đính các pha làm việc thực tế trên đồ thị công chỉ thị $P-V$ (xác định các điểm đánh lửa sớm, mở sớm - đóng muộn của xupap nạp và thải).
- Phương pháp động học và động lực học cơ cấu piston - trục khuỷu - thanh truyền:
- Phương pháp đồ thị vòng: Dựng đường biểu diễn vận tốc piston $v = f(\alpha)$ trên hệ tọa độ cực thông qua hai vòng tròn bán kính $R$ và $R/2$.
- Phương pháp Tolle: Dựng đường biểu diễn gia tốc piston $j = f(\alpha)$ và đường biểu diễn lực quán tính chuyển động tịnh tiến $P_j = f(s)$.
- Phương pháp khai triển đồ thị: Chuyển đổi đồ thị công $P-V$ sang hệ tọa độ góc quay trục khuỷu $P-\alpha$.
- Phương pháp cộng đồ thị động lực học: Tổng hợp lực tiếp tuyến $T$ và lực pháp tuyến $Z$; tổng hợp mômen tiếp tuyến $T_\Sigma$ dựa trên góc công tác lệch pha của động cơ 4 kỳ 4 xi lanh.
- Phương pháp véc-tơ phụ tải và phương pháp xoay giấy bóng: Xác định véc-tơ hợp lực $Q$ tác dụng lên chốt khuỷu và phân bố phụ tải lên bề mặt đầu to thanh truyền.
- Nguồn dữ liệu: Các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của động cơ Audi do bộ môn cung cấp kết hợp hệ thống các công thức kinh nghiệm và bảng tra cứu chuyên ngành động cơ đốt trong.
Nội dung chính theo từng chương
Chương I: Tính toán chu trình công tác của động cơ đốt trong
Chương này trình bày toàn bộ số liệu ban đầu, lựa chọn các thông số nhiệt động môi trường, tính toán chu trình công tác và xây dựng đồ thị công $P-V$.
| STT | Thông số kỹ thuật ban đầu | Ký hiệu | Giá trị | Đơn vị |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Công suất định mức | $N_e$ | 130 | mã lực (HP) |
| 2 | Số vòng quay trục khuỷu | $n$ | 5600 | vòng/phút |
| 3 | Đường kính xi lanh | $D$ | 82,5 | mm |
| 4 | Hành trình piston | $S$ | 92,8 | mm |
| 5 | Dung tích công tác một xi lanh | $V_h$ | 0,496 | $\text{dm}^3$ |
| 6 | Số lượng xi lanh | $i$ | 4 | xi lanh |
| 7 | Tỷ số nén | $\varepsilon$ | 10,5 | - |
| 8 | Thứ tự làm việc | - | 1 - 3 - 4 - 2 | - |
| 9 | Suất tiêu hao nhiên liệu | $g_e$ | 178 | g/ml.h |
| 10 | Góc mở sớm / đóng muộn xupap nạp | $\alpha_1 / \alpha_2$ | 26 / 48 | độ |
| 11 | Góc mở sớm / đóng muộn xupap thải | $\beta_1 / \beta_2$ | 32 / 8 | độ |
| 12 | Góc đánh lửa sớm | $\varphi$ | 15 | độ |
| 13 | Chiều dài thanh truyền | $l_{tt}$ | 144 | mm |
| 14 | Khối lượng nhóm piston | $m_{pt}$ | 0,36 | kg |
| 15 | Khối lượng nhóm thanh truyền | $m_{tt}$ | 0,64 | kg |
Các thông số chọn và kết quả tính toán nhiệt động:
- Áp suất môi trường $p_k = p_0 = 0,1\text{ MPa}$; nhiệt độ môi trường $T_k = T_0 = 24^\circ\text{C} = 297\text{ K}$; độ sấy nóng môi chất $\Delta T = 25^\circ\text{C} = 298\text{ K}$.
- Nhiệt trị thấp của xăng $Q_H = 42500\text{ kJ/kg}$; trọng lượng phân tử của xăng $\mu_{nl} = 114\text{ kg/kmol}$. Hệ số quét buồng cháy $\lambda_2 = 1$ (không tăng áp); hệ số dư lượng không khí $\alpha > 1 \Rightarrow \Delta Q_H = 0$.
- Chỉ số nén đa biến trung bình $n_1$ được chọn và kiểm tra qua phương trình cân bằng: Vế trái $= 0,3707$, Vế phải $= 0,3723$, sai số $0,0170 < 0,2%$.
- Áp suất cuối quá trình nén $p_c$ và nhiệt độ $T_c$. Áp suất cực đại lý thuyết tại điểm cháy $p_z = \lambda \cdot p_c = 3,502\text{ MPa}$.
- Chỉ số giãn nở đa biến $n_2$ được kiểm tra qua phương trình cân bằng: Vế trái $= 0,2229$, Vế phải $= 0,2408$, sai số $0,004 < 0,2%$.
- Áp suất chỉ thị trung bình tính toán: $p_i = 1,0731\text{ MPa}$.
- Áp suất cuối quá trình giãn nở thực tế: $p_{b''} = 0,115 + 0,5(0,4898 - 0,115) = 0,3024\text{ MPa}$.
- Hiệu suất cơ giới $\eta_m$ nằm trong khoảng $0,75 \div 0,93$; sai số kiểm nghiệm đường kính xi lanh $\Delta D$ đảm bảo không vượt quá $0,1\text{ mm}$.
Hiệu đính đồ thị công $P-V$:
- Sử dụng vòng tròn Brick trên hành trình $S$ với khoảng cách tâm $OO' = \frac{R \cdot \lambda_{\text{tt}}}{2}$.
- Hiệu đính điểm bắt đầu nạp ($a$), điểm nén thực tế do đánh lửa sớm ($c', c''$), điểm đạt áp suất cực đại thực tế ($p_{z\max} = 0,85 p_z = 2,9767\text{ MPa}$, tung độ biểu diễn $212,8\text{ mm}$ tại vị trí $12^\circ \div 15^\circ$ sau điểm chết trên), điểm xupap thải mở sớm ($b'$) và điểm kết thúc giãn nở ($b''$).
Chương II: Tính toán động học và động lực học
Chương này tập trung xác định quy luật chuyển động của cơ cấu piston - trục khuỷu - thanh truyền, quy dẫn khối lượng và phân tích hệ thống lực tác động.
Động học cơ cấu:
- Tốc độ góc trục khuỷu: $\omega = \frac{\pi \cdot n}{30} = 586,13\text{ rad/s}$.
- Hành trình piston $x = f(\alpha)$ được dựng từ cung vòng tròn Brick.
- Tốc độ piston $v = f(\alpha)$ dựng bằng phương pháp đồ thị vòng.
- Gia tốc piston $j = f(\alpha)$ dựng theo phương pháp Tolle:
- Gia tốc cực đại: $j_{\max} = R\omega^2(1 + \lambda_{\text{tt}}) = 21059,18\text{ m/s}^2$.
- Gia tốc cực tiểu: $j_{\min} = -R\omega^2(1 - \lambda_{\text{tt}}) = -10822,103\text{ m/s}^2$.
- Giá trị tung độ phụ trợ: $EF = -3 \cdot R\omega^2 \cdot \lambda_{\text{tt}} = -14426,96\text{ m/s}^2$.
Quy dẫn khối lượng cơ cấu:
- Khối lượng chuyển động tịnh tiến: $m_{npt} = 0,36\text{ kg}$; khối lượng thanh truyền phân bố về tâm chốt piston $m_1 = 0,4824\text{ kg} \Rightarrow$ Tổng khối lượng tịnh tiến: $m = m_{npt} + m_1 = 0,8424\text{ kg}$.
- Khối lượng chuyển động quay quy dẫn về tâm chốt khuỷu: $m_2 = m_{tt} - m_1 = 0,64 - 0,4824 = 0,1576\text{ kg}$ (khối lượng quy dẫn từ thanh truyền) kết hợp với khối lượng chốt khuỷu $m_{ch}$ và má khuỷu $m_{0m}$, cho giá trị quy đổi đầu to thanh truyền $m_2 = 0,4608\text{ kg}$.
Động lực học và mômen tổng:
- Dựng đường lực quán tính $-P_j = f(s)$ trên cùng tỷ lệ xích áp suất với đồ thị công. Giá trị cực tiểu đạt $0,976669\text{ MPa}$, giá trị $E'F' = 1,5496\text{ MPa}$.
- Tổng hợp lực tác dụng $P_\Sigma = P_k + P_j$, từ đó xác định lực tiếp tuyến $T = P_\Sigma \frac{\sin(\alpha+\beta)}{\cos\beta}$ và lực pháp tuyến $Z = P_\Sigma \frac{\cos(\alpha+\beta)}{\cos\beta}$.
- Bảng góc công tác của động cơ 4 kỳ 4 xi lanh (thứ tự 1-3-4-2):
- Xi lanh 1: Nạp ($0^\circ \div 180^\circ$) $\rightarrow$ Nén ($180^\circ \div 360^\circ$) $\rightarrow$ Cháy - Giãn nở ($360^\circ \div 540^\circ$) $\rightarrow$ Thải ($540^\circ \div 720^\circ$).
- Xi lanh 2: Nén $\rightarrow$ Cháy - Giãn nở $\rightarrow$ Thải $\rightarrow$ Nạp.
- Xi lanh 3: Thải $\rightarrow$ Nạp $\rightarrow$ Nén $\rightarrow$ Cháy - Giãn nở.
- Xi lanh 4: Cháy - Giãn nở $\rightarrow$ Thải $\rightarrow$ Nạp $\rightarrow$ Nén.
- Tính mômen tiếp tuyến tổng $T_\Sigma = \sum T_i$. Mômen cản trung bình $T_{tb}$ xác định bằng phương pháp đếm diện tích được so sánh với mômen tính theo công suất động cơ, đảm bảo sai lệch $< 5%$.
Phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu và đầu to thanh truyền:
- Thiết lập đồ thị véc-tơ phụ tải $Q$ trên hệ trục $T - Z$ với gốc tọa độ dịch chuyển tương ứng lực quán tính ly tâm $P_{k0} = -m_2 R \omega^2$.
- Xác định trị số phụ tải trung bình $Q_{tb}$ và kiểm tra hệ số va đập: $\frac{Q_{\max} - Q_{\min}}{Q_{tb}} < 5$ (thỏa mãn điều kiện bôi trơn và mỏi).
- Dựng đồ thị phân bố phụ tải lên đầu to thanh truyền bằng phương pháp xoay tờ giấy bóng trong dải góc $0^\circ \div 720^\circ$.
Chương III: Tính nghiệm bền các chi tiết chính
Chương này tổng hợp các kích thước kết cấu và thông số vật liệu phục vụ bài toán kiểm nghiệm bền trục khuỷu.
| STT | Tên thông số kết cấu trục khuỷu | Ký hiệu | Giá trị | Đơn vị |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Đường kính ngoài chốt khuỷu | $d_{ch}$ | 48 | mm |
| 2 | Đường kính trong chốt khuỷu | - | 20 | mm |
| 3 | Đường kính ngoài cổ trục khuỷu | $d_{ck}$ | 54 | mm |
| 4 | Đường kính trong cổ trục khuỷu (cổ đặc) | - | 0 | mm |
| 5 | Chiều dài chốt khuỷu | $l_{ch}$ | 46 | mm |
| 6 | Chiều dài cổ trục khuỷu | $l_{ck}$ | 25 | mm |
| 7 | Kích thước tiết diện má khuỷu ($b \times h$) | $b, h$ | 25 ; 122 | mm |
| 8 | Khối lượng ly tâm của má khuỷu | $m_{mk}$ | 0,104 | kg |
| 9 | Bán kính trọng tâm khối ly tâm má khuỷu | $r_{mk}$ | 64 | mm |
| 10 | Khoảng cách kết cấu | $a$ | 34 | mm |
| 11 | Khối lượng đối trọng | $m_{dt}$ | 1,2 | kg |
| 12 | Bán kính trọng tâm đối trọng đến tâm quay | $r_d$ | 45 | mm |
| 13 | Khoảng cách đặt lực gối đỡ | $c', c''$ | 40 ; 40 | mm |
| 14 | Khối lượng riêng vật liệu làm trục khuỷu | $\rho$ | 7800 | $\text{kg/m}^3$ |
Kết quả và đóng góp
- Kết quả tính toán nhiệt động và động lực học:
- Xác định đầy đủ các điểm trạng thái của chu trình công tác trên động cơ Audi: Áp suất cháy cực đại lý thuyết $p_z = 3,502\text{ MPa}$, áp suất cực đại thực tế $p_{z\max} = 2,9767\text{ MPa}$, áp suất cuối quá trình giãn nở thực tế $p_{b''} = 0,3024\text{ MPa}$, áp suất chỉ thị trung bình $p_i = 1,0731\text{ MPa}$.
- Thiết lập chính xác các thông số động học: Tốc độ góc $\omega = 586,13\text{ rad/s}$, gia tốc cực đại $j_{\max} = 21059,18\text{ m/s}^2$, gia tốc cực tiểu $j_{\min} = -10822,103\text{ m/s}^2$.
- Kiểm nghiệm sai số các chỉ số đa biến ($n_1, n_2$) dưới $0,2%$; sai số kiểm nghiệm đường kính xi lanh $\Delta D \le 0,1\text{ mm}$; sai số mômen cản trung bình dưới $5%$; hệ số va đập trên chốt khuỷu đạt yêu cầu an toàn $(< 5)$.
- Sản phẩm kỹ thuật hoàn thành:
- Hệ thống đường cong đặc tính hoàn chỉnh bao gồm đồ thị công chỉ thị $P-V$, các đồ thị động học $x(\alpha), v(\alpha), j(\alpha)$, đồ thị lực quán tính $-P_j(s)$, đồ thị lực tiếp tuyến $T$ và pháp tuyến $Z$, đồ thị mômen tổng $T_\Sigma$ cho 4 xi lanh.
- Bản đồ véc-tơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu ($T-Z$) và biểu đồ phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền.
- Bảng số liệu kích thước kết cấu chi tiết làm cơ sở tính toán sức bền trục khuỷu.
- Đóng góp học thuật: Hệ thống hóa và thực hiện trọn vẹn quy trình giải tích kết hợp đồ giải kinh điển của chuyên ngành Động cơ đốt trong trên một đối tượng động cơ xăng hiện đại cụ thể, bảo đảm tính nhất quán giữa lý thuyết nhiệt động và động lực học máy.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế:
- Đồ án sử dụng chủ yếu các phương pháp đồ giải thủ công truyền thống (dựng hình trên giấy kẻ ly, phương pháp Tolle, phương pháp xoay giấy bóng), phụ thuộc vào độ chính xác của thao tác vẽ.
- Một số hệ số nhiệt động (hệ số hiệu đính đồ thị công, hệ số quét buồng cháy, hệ số phân bố khối lượng thanh truyền) dựa trên các dải tra cứu thực nghiệm tĩnh.
- Phạm vi tính toán sức bền mới dừng lại ở việc thu thập và thiết lập các thông số hình học cho trục khuỷu, chưa mở rộng sang tính bền hoàn chỉnh cho nhóm piston, thanh truyền và hệ thống phân phối khí.
- Hướng phát triển:
- Ứng dụng các phần mềm mô phỏng chuyên ngành (như AVL Boost, GT-Power) để tính toán chu trình công tác nhiệt động với mô hình cháy động học chi tiết.
- Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) trên các phần mềm CAD/CAE (ANSYS, SolidWorks) để kiểm nghiệm trạng thái ứng suất, biến dạng và dao động xoắn của trục khuỷu dưới tải trọng biến thiên theo chu kỳ.
Giá trị tham khảo
Tài liệu này hữu ích cho:
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Ô tô, Cơ khí Động lực: Làm tài liệu tham khảo trực tiếp khi thực hiện đồ án môn học Động cơ đốt trong, đồ án Nguyên lý Động cơ hoặc đồ án tốt nghiệp liên quan đến tính toán nhiệt và động lực học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền.
- Giảng viên và kỹ sư cơ khí: Tham khảo quy trình mẫu về các bước hiệu đính đồ thị công Brick, phương pháp đồ giải Tolle xác định lực quán tính và quy trình phân tích lực tác dụng lên ổ trục động cơ nhiều xi lanh.
- Phần có giá trị tham khảo cao nhất: Phương pháp từng bước hiệu đính đồ thị công $P-V$ sang $P-\alpha$, cách lập bảng lệch pha công tác để tính mômen tổng $T_\Sigma$, và kỹ thuật dựng đồ thị véc-tơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu và đầu to thanh truyền.
Câu hỏi thường gặp
1. Động cơ Audi trong đề tài có những thông số cơ bản nào?
Động cơ có công suất $N_e = 130\text{ mã lực}$ tại số vòng quay $n = 5600\text{ vòng/phút}$, gồm 4 xi lanh với đường kính $D = 82,5\text{ mm}$, hành trình piston $S = 92,8\text{ mm}$, dung tích công tác một xi lanh $V_h = 0,496\text{ dm}^3$, tỷ số nén $\varepsilon = 10,5$, làm việc theo thứ tự 1-3-4-2.
2. Đồ thị công chỉ thị $P-V$ được hiệu đính các điểm đặc trưng nào bằng phương pháp Brick?
Phương pháp Brick hiệu đính 6 điểm: Điểm bắt đầu nạp ($a$ tương ứng góc đóng muộn xupap thải $\beta_2 = 8^\circ$), điểm áp suất cuối quá trình nén ($c'$), điểm tách đường do đánh lửa sớm ($c''$ tương ứng $\varphi = 15^\circ$), điểm áp suất cháy cực đại thực tế ($p_{z\max} = 0,85 p_z = 2,9767\text{ MPa}$ tại $12^\circ \div 15^\circ$ sau ĐCT), điểm bắt đầu thải thực tế ($b'$ ứng với góc mở sớm xupap thải $\beta_1 = 32^\circ$), và điểm kết thúc giãn nở ($b''$ với áp suất $p_{b''} = 0,3024\text{ MPa}$).
3. Quy luật gia tốc của piston được xác định bằng phương pháp nào và giá trị cực trị là bao nhiêu?
Gia tốc piston được dựng theo phương pháp đồ thị Tolle với tốc độ góc $\omega = 586,13\text{ rad/s}$. Giá trị gia tốc cực đại tại điểm chết trên là $j_{\max} = 21059,18\text{ m/s}^2$, giá trị cực tiểu tại điểm chết dưới là $j_{\min} = -10822,103\text{ m/s}^2$, và đoạn tung độ phụ trợ $EF = -14426,96\text{ m/s}^2$.
4. Mômen cản trung bình $T_{tb}$ của động cơ được kiểm tra tính chính xác như thế nào?
Mômen cản trung bình được xác định bằng cách đếm diện tích giới hạn bởi đường mômen tổng $T_\Sigma$ với trục hoành trên chu kỳ công tác rồi chia cho chiều dài trục hoành. Giá trị này được đối chiếu với mômen tính từ công suất định mức của động cơ, yêu cầu độ sai lệch giữa hai phương pháp phải nhỏ hơn $5%$.
5. Các kích thước hình học chính của chốt khuỷu và cổ trục khuỷu được xác định là bao nhiêu?
Đường kính ngoài chốt khuỷu $d_{ch} = 48\text{ mm}$, đường kính trong $20\text{ mm}$, chiều dài chốt $l_{ch} = 46\text{ mm}$. Cổ trục khuỷu có đường kính ngoài $d_{ck} = 54\text{ mm}$ (dạng cổ đặc, đường kính trong bằng $0\text{ mm}$) và chiều dài cổ $l_{ck} = 25\text{ mm}$.
Kết luận
Đồ án môn học "Tính toán động cơ đốt trong" của tác giả Nguyễn Danh Nhân đã hoàn thành đầy đủ khối lượng tính toán chu trình công tác nhiệt động, động học, động lực học và thiết lập thông số tính bền trục khuỷu cho động cơ xăng Audi 4 kỳ 4 xi lanh. Các phương pháp tính toán nhiệt động và đồ giải động học - động lực học (phương pháp Brick, phương pháp Tolle, phương pháp phụ tải chốt khuỷu) được triển khai nhất quán với các điều kiện sai số kiểm nghiệm đều nằm trong giới hạn cho phép. Công trình là tài liệu học thuật hoàn chỉnh, đáp ứng chuẩn mực của đồ án chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô.