Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh nền công nghiệp cơ khí và kỹ thuật động lực tại Việt Nam đang từng bước phát triển, yêu cầu đặt ra cho đội ngũ kỹ thuật là phải nâng cao năng lực tự chủ trong nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo các hệ thống động lực. Đồ án "Kết cấu - Tính toán động cơ" được thực hiện nhằm tổng hợp, củng cố và vận dụng chuyên sâu hệ thống kiến thức cơ sở ngành và chuyên ngành cơ khí động lực, đóng vai trò là bước hoàn thiện kỹ năng tính toán kỹ thuật trước khi tiến hành đồ án tốt nghiệp kỹ sư.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định gồm ba nội dung chính:

  1. Tổng quan các hệ thống kết cấu chính của động cơ Diesel D1146 (hệ thống nhiên liệu, phân phối khí, làm mát, bôi trơn và khởi động).
  2. Tính toán chu trình công tác nhiệt động học, xây dựng và hiệu đính đồ thị công chỉ thị $P-V$, khảo sát các quy luật động học và động lực học của cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền.
  3. Kiểm nghiệm sức bền cơ học cho cụm chi tiết nhóm Piston (đỉnh Piston và đầu Piston) dưới tác dụng của áp lực khí thể và lực quán tính.

Đối tượng nghiên cứu là động cơ Diesel D1146 (loại 4 kỳ, 6 xi lanh thẳng hàng, không tăng áp, buồng cháy kiểu lốc xoáy/omega nông). Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở chế độ tính toán nhiệt động và động lực học ở điều kiện làm việc định mức với công suất $N_e = 182$ mã lực ($133,86$ kW) tại số vòng quay $n = 2500$ vòng/phút, cùng chu trình làm việc lý thuyết và thực tế trong giới hạn $720^\circ$ góc quay trục khuỷu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án sử dụng khung lý thuyết và phương pháp tính toán nhiệt động học động cơ đốt trong kết hợp phương pháp đồ giải cơ cấu cơ khí kinh điển:

  • Khung lý thuyết nhiệt động học động cơ đốt trong: Mô hình tính toán nhiệt chu trình công tác thực tế cho động cơ Diesel 4 kỳ, tính toán cân bằng năng lượng và các quá trình nạp, nén, cháy, giãn nở, thải để xác định các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật chỉ thị và có ích.
  • Phương pháp đồ giải động học và động lực học:
    • Sử dụng đồ thị vòng tròn Brick để xác định quan hệ chuyển vị Piston $x = f(\alpha)$ và hiệu đính các pha làm việc trên đồ thị công $P-V$.
    • Ứng dụng phương pháp đồ thị vòng để xây dựng đường biểu diễn vận tốc $v = f(\alpha)$ và $v = f(x)$.
    • Ứng dụng phương pháp Tôlê để xác định quy luật biến thiên của gia tốc $j = f(x)$ và đường biểu diễn lực quán tính tịnh tiến $-P_j = f(x)$.
    • Phương pháp khai triển véc tơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu $\vec{Q} = \vec{P}_{tt} + \vec{P}_k$ và đồ thị mài mòn lý thuyết của chốt khuỷu chia theo 24 góc phân bố trên vòng tròn $360^\circ$.
  • Lý thuyết sức bền chi tiết máy: Sử dụng công thức Back và công thức Orơlin (Orlin) để tính nghiệm bền ứng suất uốn đỉnh Piston dạng tấm phẳng/đĩa tròn chịu ngàm và tự do; tính toán ứng suất kéo - nén tại tiết diện nguy hiểm I-I của đầu Piston.

Nguồn dữ liệu tính toán xuất phát từ các thông số hình học và chế độ vận hành ban đầu của động cơ Diesel D1146, các hằng số nhiệt động của môi chất và nhiên liệu Diesel chuẩn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan

Chương I tập trung mô tả kết cấu, nhiệm vụ và nguyên lý hoạt động của các cụm hệ thống cấu thành động cơ Diesel D1146:

  • Đặc điểm chung: Động cơ Diesel 4 kỳ, 6 xi lanh bố trí thẳng hàng (1 hàng), không tăng áp, công suất $N_e = 182$ mã lực tại số vòng quay $n = 2500$ vòng/phút, suất tiêu hao nhiên liệu $g_e = 175$ g/(ml.h).
  • Tổ chức quá trình cháy và nhiên liệu: Sử dụng nhiên liệu Diesel với các thành phần khối lượng: $C = 0,870$; $H = 0,126$; $O = 0,004$; phân tử lượng $170 \div 200$, khối lượng riêng ở $15^\circ\text{C}$ là $0,84 \div 0,88\text{ kg/dm}^3$, nhiệt trị thấp $Q_{tk} = 42,5\text{ MJ/kg}$. Buồng cháy sử dụng kiểu buồng lốc xoáy (omega nông) nhằm tạo dòng xoáy mạnh trong quá trình nén, đẩy nhanh tốc độ hòa trộn nhiên liệu - không khí, cho phép cháy triệt để ở tốc độ cao, hạn chế tốc độ tăng áp suất khí cháy và giảm phát thải $\text{NO}_x$ do thời điểm cháy đặt sát điểm chết trên (ĐCT).
  • Hệ thống nhiên liệu: Sử dụng bơm cao áp kiểu PE gồm 6 phân bơm kết hợp các vòi phun cao áp, hệ thống đường dẫn áp suất thấp, áp suất cao và hệ thống đường dầu hồi về thùng chứa.
  • Cơ cấu phân phối khí: Kiểu xupáp treo, dẫn động thông qua cơ cấu bánh răng phân phối, trục cam, con đội, đũa đẩy và cần bẩy (cò mổ).
  • Hệ thống làm mát: Kiểu làm mát bằng nước cưỡng bức một vòng tuần hoàn kín, tích hợp bơm nước, ống phân phối nước đúc sẵn trong thân máy, két làm mát nước có quạt gió dẫn động từ trục khuỷu, van hằng nhiệt và két làm mát dầu bôi trơn.
  • Hệ thống bôi trơn: Phương án bôi trơn cưỡng bức các-te ướt, dẫn dầu từ bơm qua bầu lọc thô vào đường dẫn dầu chính đi bôi trơn cổ trục cam, bạc cổ trục chính, dẫn dầu qua các lỗ dẫn trong trục khuỷu rỗng lên bôi trơn bạc đầu to thanh truyền và rãnh dọc thân thanh truyền lên chốt Piston; trích $10 \div 15%$ lưu lượng dầu qua bầu lọc tinh.
  • Hệ thống khởi động: Sử dụng động cơ điện một chiều kết hợp rơ le kéo từ tính, cơ cấu nạng gạt và bánh răng khởi động ăn khớp với vành răng bánh đà.
Thông số hình học và vận hành Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Kiểu động cơ - D1146 -
Số kỳ / Số xi lanh $\tau$ / $i$ 4 kỳ / 6 xi lanh -
Thứ tự làm việc các xi lanh - 1-5-3-6-2-4 -
Hành trình Piston $S$ 139 mm
Đường kính xi lanh $D$ 111 mm
Chiều dài thanh truyền $l_{tt}$ 232 mm
Tỷ số nén $\varepsilon$ 17,5 -
Khối lượng thanh truyền $m_{tt}$ 2,9 kg
Khối lượng nhóm Piston $m_{pt}$ 1,58 kg
Góc mở sớm / đóng muộn xupáp nạp $\alpha_1$ / $\alpha_2$ 16 / 36 độ
Góc mở sớm / đóng muộn xupáp xả $\beta_1$ / $\beta_2$ 46 / 14 độ
Góc phun sớm $\varphi_i$ 15 (hiệu đính: 20) độ

Chương II: Tính toán động cơ đốt trong

Chương II là phần trọng tâm của đồ án, bao gồm ba phân mục tính toán chính:

1. Tính toán chu trình công tác nhiệt động học

  • Thông số chọn ban đầu: Áp suất môi trường $P_k = P_0 = 0,1\text{ MPa}$; nhiệt độ môi trường $T_k = T_0 = 297^\circ\text{K}$ ($24^\circ\text{C}$); áp suất cuối nạp $P_a = 0,09\text{ MPa}$; độ sấy nóng môi chất $\Delta T = 20^\circ\text{K}$; nhiệt độ khí thải sót $T_r = 800^\circ\text{K}$; hệ số hiệu đính tỷ nhiệt $\lambda_t = 1,1$; hệ số nạp thêm $\lambda_1 = 1,05$; hệ số quét buồng cháy $\lambda_2 = 1,0$; hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm $z$ và điểm $b$ lần lượt là $\xi_z = 0,85$ và $\xi_b = 0,90$; hệ số điền đầy đồ thị công $\varphi_d = 0,95$.
  • Kết quả tính toán các quá trình:
    • Quá trình nạp: Xác định hệ số khí sót $\gamma_r = 0,028$; nhiệt độ cuối nạp $T_a = 330,45^\circ\text{K}$; lượng khí nạp mới $M_1 = 0,819\text{ kmol/kg nl}$; lượng không khí lý thuyết $M_0 = 0,495\text{ kmol/kg nl}$; hệ số dư lượng không khí $\alpha = 1,655$.
    • Quá trình nén: Tỷ nhiệt mol đẳng tích của hỗn hợp nén $mc'_v = 19,806 + 0,00209 T$; giải phương trình cân bằng xác định chỉ số nén đa biến trung bình $n_1 = 1,375$ (với sai số cân bằng giữa hai vế là $0,054% < 0,2%$); áp suất cuối nén $P_c = 4,607\text{ MPa}$; nhiệt độ cuối nén $T_c = 966,59^\circ\text{K}$.
    • Quá trình cháy: Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết $\beta_0 = 1,038$; hệ số biến đổi thực tế $\beta = 1,036$; hệ số biến đổi tại điểm $z$ là $\beta_z = 1,036$; nhiệt độ cực đại của chu trình $T_z = 2782,34^\circ\text{K}$; áp suất cực đại tại điểm $z$ đạt $P_z = 13,222\text{ MPa}$; hệ số tăng áp $\lambda = 2,87$.
    • Quá trình giãn nở: Hệ số giãn nở sớm $\rho = 1,038$; hệ số giãn nở sau $\delta = 16,859$; chỉ số giãn nở đa biến trung bình $n_2 = 1,225$ (sai số cân bằng đạt $0,23% < 0,5%$); áp suất cuối giãn nở $P_b = 0,415\text{ MPa}$; nhiệt độ cuối giãn nở $T_b = 1461,25^\circ\text{K}$; nhiệt độ khí xả tính toán $T_{rt} = 952,66^\circ\text{K}$ (sai số so với giả thiết ban đầu là $4,96% < 15%$).
  • Chỉ tiêu công tác và kiểm nghiệm: Áp suất chỉ thị trung bình lý thuyết $P'i = 0,8931\text{ MPa}$; áp suất chỉ thị trung bình thực tế $P_i = 0,8663\text{ MPa}$; vận tốc trung bình Piston $v{tb} = 11,58\text{ m/s}$; áp suất tổn thất cơ giới $P_m = 0,1789\text{ MPa}$; áp suất có ích trung bình $P_e = 0,6874\text{ MPa}$; hiệu suất cơ giới $\eta_m = 0,79$; suất tiêu hao nhiên liệu tính toán $g_e = 226,29\text{ g/(kW.h)}$; kiểm nghiệm đường kính xi lanh tính toán $D_{kn} = 119,569\text{ mm}$ (sai số kiểm nghiệm $|\Delta D| = 0,0856\text{ mm} < 0,1\text{ mm}$).

2. Vẽ, hiệu đính đồ thị công và quy luật động học

  • Vẽ và hiệu đính đồ thị công ($P-V$): Sử dụng đồ thị vòng tròn Brick với bán kính $R = 69,5\text{ mm}$, tỷ số kết cấu $\lambda_{tt} = R/l_{tt} = 0,2996$, khoảng cách dời tâm $OO' = 10,411\text{ mm}$. Các điểm hiệu đính chính gồm:
    • Áp suất cuối nén thực tế: $P'_c = P_c + \frac{1}{3}(P_z - P_c) = 7,479\text{ MPa}$.
    • Điểm đạt $P_{z\max}$ thực tế dịch chuyển về vị trí $375^\circ$ góc quay trục khuỷu ($15^\circ$ sau ĐCT).
    • Áp suất cuối giãn nở thực tế: $P'_b = P_r + \frac{1}{2}(P_b - P_r) = 0,265\text{ MPa}$.
  • Quy luật động học:
    • Vận tốc góc trục khuỷu: $\omega = 261,67\text{ rad/s}$.
    • Gia tốc Piston cực đại: $j_{\max} = R\omega^2(1 + \lambda_{tt}) = 6184,468\text{ m/s}^2$ (biểu diễn $51,54\text{ mm}$).
    • Gia tốc Piston cực tiểu: $j_{\min} = -R\omega^2(1 - \lambda_{tt}) = -3333,03\text{ m/s}^2$ (biểu diễn $-27,78\text{ mm}$).
    • Giá trị tung độ hiệu đính Tôlê: $EF = -3R\omega^2\lambda_{tt}^2 = -4277,2\text{ m/s}^2$ (biểu diễn $-35,64\text{ mm}$).

3. Tính toán động lực học và kiểm nghiệm sức bền

  • Phân bố khối lượng và lực quán tính: Khối lượng thanh truyền phân bố về tâm chốt Piston $m_1 = 0,812\text{ kg}$; quy về tâm chốt khuỷu $m_2 = 2,088\text{ kg}$; diện tích đỉnh Piston $F_{pt} = 0,0097\text{ m}^2$; khối lượng tịnh tiến riêng $m = 246,6\text{ kg/m}^2$; lực quán tính cực đại $P_{j\max} = 1,55\text{ MPa}$, cực tiểu $P_{j\min} = -0,82\text{ MPa}$.
  • Đồ thị lực tiếp tuyến và pháp tuyến: Khai triển lực tiếp tuyến $T = f(\alpha)$, lực pháp tuyến $Z = f(\alpha)$ và tổng hợp lực tiếp tuyến $\Sigma T = f(\alpha)$ cho 6 xi lanh với góc lệch công tác $\delta_{ct} = 120^\circ$. Giá trị lực tiếp tuyến trung bình đo trên đồ thị $T_{tb} = 31,13\text{ mm}$, kiểm nghiệm theo công suất động cơ cho $T_{tbtbd} = 29,88\text{ mm}$ (sai số kiểm nghiệm đạt $4,1% < 5%$).
  • Phụ tải và mài mòn chốt khuỷu: Phụ tải trung bình tác dụng lên chốt khuỷu $Q_{tb} = 46,7\text{ MPa}$; phụ tải cực đại $Q_{\max} = 180\text{ MPa}$; hệ số va đập phụ tải $\chi = Q_{\max}/Q_{tb} = 3,85 < 4$ (đạt yêu cầu kỹ thuật). Đồ thị mài mòn chốt khuỷu được lập qua 24 điểm chia nhằm xác định vùng chịu tải nhỏ nhất để bố trí lỗ khoan dẫn dầu bôi trơn.
  • Kiểm nghiệm bền Piston:
    • Đỉnh Piston: Đánh giá theo công thức Back và công thức Orơlin cho đĩa tròn ngàm cứng chịu tải $P_{z\max} = 13,222\text{ MPa}$. Kết quả ứng suất uốn thực tế nằm trong khoảng cho phép đối với vật liệu gang không có gân tăng bền ($[\sigma_u] = 20 \div 25\text{ MPa}$), cho phép thiết kế đỉnh phẳng không gân chịu lực.
    • Đầu Piston: Kiểm tra tiết diện nguy hiểm I-I cắt qua rãnh xéc măng dầu dưới tác dụng của ứng suất kéo do $P_{j\max}$ và ứng suất nén do $P_{z\max}$ (sử dụng khối lượng riêng của gang $\rho_{gang} = 2700\text{ kg/m}^3$).

Chương III: Kết luận

Chương III tổng hợp toàn bộ các kết quả tính toán đã đạt được, khẳng định tính đúng đắn của chu trình công tác nhiệt động học và kết cấu cơ học của động cơ Diesel D1146, đồng thời nêu nhận xét về các sai số tính toán đều nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn thiết kế động cơ đốt trong.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành toàn bộ hệ số liệu giải tích và bản vẽ đồ giải chu trình công tác cho động cơ Diesel D1146:

Hạng mục tính toán Đại lượng Giá trị trích xuất
Áp suất cực đại của chu trình $P_z$ $13,222\text{ MPa}$
Nhiệt độ cực đại của chu trình $T_z$ $2782,34^\circ\text{K}$
Áp suất có ích trung bình $P_e$ $0,6874\text{ MPa}$
Hiệu suất cơ giới $\eta_m$ $0,79$ ($79%$)
Suất tiêu hao nhiên liệu tính toán $g_e$ $226,29\text{ g/(kW.h)}$
Gia tốc Piston cực đại / cực tiểu $j_{\max} / j_{\min}$ $6184,468\text{ / } -3333,03\text{ m/s}^2$
Lực quán tính cực đại / cực tiểu $P_{j\max} / P_{j\min}$ $1,55\text{ / } -0,82\text{ MPa}$
Phụ tải trung bình chốt khuỷu $Q_{tb}$ $46,7\text{ MPa}$
Hệ số va đập chốt khuỷu $\chi$ $3,85$ (tiêu chuẩn $< 4$)
Sai số đường kính xi lanh kiểm nghiệm $\Delta D$ $0,0856\text{ mm}$ ($< 0,1\text{ mm}$)
Sai số lực tiếp tuyến trung bình $%T_{tb}$ $4,1%$ ($< 5%$)

Các đóng góp và giải pháp thiết kế chính bao gồm:

  • Xác lập quy trình tính toán nhiệt hoàn chỉnh, chứng minh tính phù hợp của tỷ số nén $\varepsilon = 17,5$ và hệ số dư lượng không khí $\alpha = 1,655$ đối với buồng cháy xoáy lốc.
  • Xây dựng hoàn chỉnh chuỗi đồ thị hiệu đính công chỉ thị $P-V$, động học Piston và phân tích động lực học véc tơ phụ tải chốt khuỷu 6 xi lanh.
  • Xác định phân bố mài mòn lý thuyết qua 24 cung điểm trên chốt khuỷu, làm căn cứ kỹ thuật để định vị góc khoan lỗ cấp dầu bôi trơn tránh vùng tập trung phụ tải cao.
  • Kiểm nghiệm kết cấu đỉnh Piston bằng gang, đưa ra kết luận lựa chọn phương án Piston đỉnh phẳng không cần gân tăng bền để tối ưu hóa khối lượng chuyển động tịnh tiến.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Toàn bộ quá trình tính toán nhiệt động và động lực học dựa trên các phương pháp giải tích truyền thống kết hợp đồ giải 2D, giả định phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu ở trạng thái ổn định tại công suất định mức và bỏ qua ảnh hưởng của biến dạng nhiệt phức tạp, chất lượng bôi trơn thực tế và độ cứng vững động học của toàn bộ trục khuỷu.
  • Hướng phát triển: Ứng dụng các phần mềm mô phỏng nhiệt động chuyên dụng (như AVL Boost hoặc GT-Power) và phương pháp phần tử hữu hạn (FEA/ANSYS) để phân tích trường ứng suất nhiệt - cơ đa chiều của nhóm Piston - chốt - thanh truyền trong điều kiện làm việc thay đổi.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo trực tiếp cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Giao thông khi thực hiện đồ án môn học "Tính toán Động cơ đốt trong" hoặc đồ án tốt nghiệp chuyên ngành động cơ.
  • Cán bộ kỹ thuật cần tra cứu quy trình đồ giải kinh điển: phương pháp vòng tròn Brick trong hiệu đính đồ thị công, phương pháp Tôlê dựng đồ thị gia tốc và lực quán tính, phương pháp cộng véc tơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu và kiểm nghiệm sức bền Piston bằng gang theo công thức Back - Orlin.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ Diesel D1146 trong đồ án có những thông số kết cấu và vận hành cơ bản nào?
Động cơ là loại Diesel 4 kỳ, 6 xi lanh thẳng hàng, không tăng áp, buồng cháy kiểu lốc xoáy (omega nông), thứ tự làm việc 1-5-3-6-2-4. Kích thước hình học gồm đường kính xi lanh $D = 111\text{ mm}$, hành trình Piston $S = 139\text{ mm}$, tỷ số nén $\varepsilon = 17,5$. Công suất định mức đạt $N_e = 182$ mã lực ($133,86\text{ kW}$) tại $n = 2500\text{ vòng/phút}$.

2. Tại sao đồ án lựa chọn kiểu buồng cháy lốc xoáy cho động cơ?
Buồng cháy lốc xoáy tạo ra cường độ xoáy lốc trong quá trình nén lớn hơn quá trình nạp, giúp hòa trộn hòa khí nhanh và cháy kiệt ngay cả khi phun trễ ở tốc độ cao. Đồng thời, cấu tạo vòi phun một lỗ giúp giảm tốc độ tăng áp, giảm tiếng ồn động cơ và hạn chế phát thải $\text{NO}_x$ do quá trình cháy diễn ra sát điểm chết trên khi Piston bắt đầu đi xuống.

3. Hệ số va đập phụ tải chốt khuỷu $\chi$ được xác định như thế nào và có đạt yêu cầu kỹ thuật không?
Hệ số va đập được xác định bằng tỷ số giữa phụ tải cực đại và phụ tải trung bình trên đồ thị véc tơ phụ tải chốt khuỷu: $\chi = Q_{\max}/Q_{tb} = 180 / 46,7 = 3,85$. Giá trị này nhỏ hơn giới hạn cho phép ($\chi < 4$), do đó thỏa mãn điều kiện làm việc an toàn của chốt khuỷu.

4. Kết quả kiểm nghiệm bền đỉnh Piston bằng công thức Back và Orlin đưa ra kết luận gì về mặt kết cấu?
Ứng suất uốn tính toán trên đỉnh Piston gang nằm trong phạm vi giới hạn bền cho phép đối với loại đỉnh không có gân tăng bền ($[\sigma_u] = 20 \div 25\text{ MPa}$). Do đó, tác giả đưa ra kết luận thiết kế Piston kiểu đỉnh phẳng không cần gân chịu lực nhằm giảm khối lượng và đơn giản hóa kết cấu đúc.

5. Sai số giữa đường kính xi lanh kiểm nghiệm ($D_{kn}$) và đường kính thiết kế ban đầu ($D$) là bao nhiêu?
Đường kính xi lanh tính toán kiểm nghiệm từ công suất và chu trình công tác đạt $D_{kn} = 119,569\text{ mm}$, sai số tuyệt đối so với kích thước danh nghĩa ($D = 111\text{ mm}$) sau khi chuẩn hóa tỷ lệ đạt $|\Delta D| = 0,0856\text{ mm}$, đáp ứng điều kiện sai số cho phép ($|\Delta D| < 0,1\text{ mm}$).

Kết luận

Đồ án "Kết cấu - Tính toán động cơ" đã thực hiện đầy đủ quy trình tổng quan kết cấu và tính toán chu trình công tác nhiệt động, động học, động lực học và độ bền chi tiết cho động cơ Diesel 6 xi lanh D1146. Hệ thống các thông số nhiệt động, đồ thị hiệu đính $P-V$, véc tơ phụ tải chốt khuỷu và kiểm nghiệm sức bền Piston đều đạt độ chính xác cao với các sai số cân bằng nằm trong giới hạn cho phép. Công trình là tài liệu tổng hợp có giá trị tham khảo rõ ràng về phương pháp giải tích và đồ giải truyền thống trong thiết kế động cơ đốt trong.