Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong kỹ thuật cơ khí giao thông và động lực, động cơ đốt trong giữ vị trí then chốt khi đóng vai trò là nguồn động lực chính cho các phương tiện vận tải đường bộ, đường thủy, đường hàng không (như ô tô, máy kéo, xe máy, tàu thủy, máy bay) cũng như các máy công tác độc lập (máy phát điện, máy bơm nước). Cùng với yêu cầu nâng cao hiệu suất làm việc, việc nghiên cứu các quá trình nhiệt động học và cơ học trong động cơ còn gắn liền với mục tiêu giảm thiểu phát thải ô nhiễm môi trường tại các khu đô thị.
Đề tài đồ án môn học "Tính toán động cơ đốt trong" được giao cho sinh viên Phạm Trung Kiên (lớp DHOTOCK12B, ngành Kỹ thuật Ô tô, Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh) dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Văn Đại và phê duyệt của Trưởng bộ môn Nguyễn Ngọc Tú. Thời gian thực hiện đồ án kéo dài 8 tuần, từ ngày 16/01/2020 đến ngày 16/03/2020.
Mục tiêu cốt lõi của đồ án là vận dụng lý thuyết chuyên ngành để giải quyết bài toán tính toán nhiệt, xác định quy luật động học - động lực học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền và kiểm nghiệm độ bền chi tiết chịu tải trọng phức tạp trên động cơ D12. Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được phân định theo văn bản giao đề gồm:
- Phần thuyết minh:
- Tính toán chu trình công tác của động cơ đốt trong (tính toán nhiệt các quá trình nạp, nén, cháy, giãn nở; xác định các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật; xây dựng và hiệu đính đồ thị công chỉ thị $P-V$).
- Tính toán động học và động lực học cơ cấu cơ bản (xác định chuyển vị, vận tốc, gia tốc piston, lực khí thể, lực quán tính và mô men tổng).
- Tính nghiệm bền chi tiết chính: Trục khuỷu (xây dựng đầy đủ sơ đồ kết cấu và sơ đồ lực tác dụng trong các trường hợp nguy hiểm).
- Phần bản vẽ kỹ thuật:
- Xây dựng bản vẽ động học và động lực học trên giấy kẻ ly khổ A0.
- Thể hiện bản vẽ kết cấu chi tiết trên các khổ giấy tiêu chuẩn (A1, A2 hoặc A3) theo tỷ lệ 1:1 hoặc 1:2.
Đối tượng nghiên cứu trực tiếp là động cơ ký hiệu D12. Phạm vi tính toán không gian và thời gian được giới hạn trong chu trình nhiệt động học 4 kỳ và các thông số kết cấu thực tế của động cơ tại thời điểm thực hiện năm 2020.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và mô hình sử dụng
Đồ án ứng dụng hệ thống lý thuyết tính toán nhiệt động cơ đốt trong dựa trên phương pháp nhiệt động học kỹ thuật và cơ học máy ứng dụng:
- Lý thuyết chu trình nhiệt động cơ: Khảo sát chu trình công tác thực tế có môi chất thay đổi, có tính đến sự phụ thuộc của tỷ nhiệt vào nhiệt độ và thành phần hỗn hợp khí (không khí nạp, sản phẩm cháy).
- Lý thuyết động học - động lực học cơ cấu trục khuỷu thanh truyền: Các công thức chuyển vị $x = f(\alpha)$, vận tốc $v = f(\alpha)$, gia tốc $j = f(x)$, lực tiếp tuyến $T = f(\alpha)$, lực pháp tuyến $Z = f(\alpha)$ và phương trình cân bằng mô men trên trục khuỷu.
- Lý thuyết sức bền vật liệu: Mô hình trạng thái ứng suất phức tạp dưới tác dụng đồng thời của lực uốn và mô men xoắn áp dụng cho chốt khuỷu và cổ trục khuỷu.
Phương pháp nghiên cứu
Tác giả kết hợp phương pháp giải tích số học với các phương pháp đồ giải chuyên ngành cơ khí động lực:
- Phương pháp giải tích nhiệt động: Thiết lập và giải lặp hệ phương trình cân bằng nhiệt và phương trình trạng thái khí để tìm các thông số ẩn như chỉ số nén đa biến ($n_1$), chỉ số giãn nở đa biến ($n_2$), nhiệt độ và áp suất tại các điểm đặc trưng của chu trình ($a, c, z, b, r$).
- Phương pháp đồ thị vòng Brick: Đặt phía trên đồ thị công để hiệu đính các điểm chuyển tiếp thực tế của chu trình do hiện tượng quét khí, đánh lửa/phun sớm và mở sớm xupap; khai triển đồ thị $P-V$ sang đồ thị theo góc quay trục khuỷu $P_{kt} = f(\alpha)$.
- Phương pháp đồ giải Tolle (Tô-lê): Dùng để xác định đường cong gia tốc piston $j = f(x)$ và đường biểu diễn lực quán tính chuyển động tịnh tiến $-P_j = f(x)$.
- Phương pháp đồ thị cực: Vẽ đường biểu diễn vận tốc piston $v = f(\alpha)$ dựa trên hai vòng tròn đồng tâm bán kính $R$ và $R\lambda/2$.
- Phương pháp đo tích phân diện tích: Đếm diện tích bao bởi đường mô men tổng $\Sigma T$ với trục hoành trên bản vẽ kẻ ly ($F_{\Sigma T}$) rồi chia cho chiều dài trục hoành để tính mô men tiếp tuyến trung bình ($T_{tb}$), sau đó đối chứng với kết quả tính từ công suất có ích.
Nguồn dữ liệu
Dữ liệu sử dụng trong đồ án gồm hai nhóm chính:
- Số liệu đề bài giao: Công suất $N_e = 12\text{ mã lực } (8,83\text{ kW})$, số vòng quay định mức $n = 2200\text{ v/ph}$, tỷ số nén $\varepsilon = 16$, đường kính xi lanh $D = 95\text{ mm}$, hành trình piston $S = 115\text{ mm}$, chiều dài thanh truyền $l_{tt} = 205\text{ mm}$, suất tiêu hao nhiên liệu $g_e = 180\text{ g/kW.h}$ (ghi trong bảng là g/ml.h), các góc phối khí ($\alpha_1 = 10^\circ, \alpha_2 = 29^\circ, \beta_1 = 32^\circ, \beta_2 = 7^\circ$) và góc phun sớm $\theta = 17^\circ$.
- Số liệu đo đạc kết cấu: Kích thước hình học và khối lượng các cụm chi tiết (piston bằng gang, chốt piston, xéc măng, bạc lót, thân và nắp đầu to thanh truyền, má khuỷu, đối trọng, bánh đà và bu lông) được trích xuất trực tiếp từ bản vẽ chi tiết của động cơ D12.
| Nhóm thông số | Thông số kỹ thuật | Ký hiệu | Giá trị trích xuất | Đơn vị |
|---|---|---|---|---|
| Thông số chung | Công suất có ích | $N_e$ | 8,83 (12) | kW (CV) |
| Tốc độ vòng quay | $n$ | 2200 | vòng/phút | |
| Tỷ số nén | $\varepsilon$ | 16 | - | |
| Kích thước xi lanh | $D \times S$ | $95 \times 115$ | mm | |
| Dung tích công tác | $V_h$ | 0,81515 | $\text{dm}^3$ | |
| Chiều dài thanh truyền | $l_{tt}$ | 205 | mm | |
| Khối lượng cơ bản | Khối lượng nhóm piston | $m_{pt}$ | 1,15 | kg |
| Khối lượng thanh truyền | $m_{tt}$ | 2,262 | kg | |
| Khối lượng nắp đầu to | $m_n$ | 0,485 | kg | |
| Khối lượng đối trọng | $M_{đt}$ | 1,044 | kg | |
| Khối lượng ly tâm má khuỷu | $m_{mk}$ | 0,72 | kg | |
| Kích thước cơ cấu | Đường kính ngoài chốt khuỷu | $d_{ch}$ | 65 | mm |
| Đường kính trong chốt khuỷu | $\delta_{ch}$ | 26 | mm | |
| Đường kính ngoài cổ trục | $d_{ck}$ | 70 | mm | |
| Đường kính bánh đà | $D / d$ | 425 / 355 | mm |
Nội dung chính theo từng chương
Phần I: Tính toán chu trình công tác động cơ đốt trong
Phần này tập trung vào tính toán nhiệt động lực học của chu trình công tác nhằm xác định các thông số trạng thái của môi chất tại các điểm đặc trưng, từ đó lập bảng và dựng đồ thị công $P-V$.
Mặc dù bảng số liệu ban đầu ghi kiểu động cơ là "động cơ xăng, không tăng áp", nhưng xuyên suốt nội dung tính toán thuyết minh, tác giả khẳng định và áp dụng toàn bộ công thức cho động cơ diesel (phù hợp với tỷ số nén cao $\varepsilon = 16$ và góc phun sớm $17^\circ$). Các thông số chọn sơ bộ bao gồm: áp suất môi trường $p_k = p_0 = 0,1\text{ MPa}$, nhiệt độ môi trường $T_k = T_0 = 24^\circ\text{C} = 297\text{ K}$, áp suất cuối quá trình nạp $p_a = 0,088\text{ MPa}$, áp suất khí thải $p_r = 0,111\text{ MPa}$, độ sấy nóng khí nạp $\Delta T = 29,5^\circ\text{C}$, nhiệt độ khí sót chọn sơ bộ $T_r = 700\text{ K}$ (bảng thông số ghi $766\text{ K}$).
Quá trình tính toán giải tích mang lại các kết quả trung gian và chỉ tiêu then chốt:
- Quá trình nạp: Hệ số khí sót xác định với chỉ số giãn nở đa biến của khí sót $m = 1,5$; lượng không khí lý thuyết để đốt cháy $1\text{ kg}$ nhiên liệu $M_0$ tính theo thành phần nguyên tố $C = 0,87$, $H = 0,126$, $O = 0,004$.
- Quá trình nén: Bằng phương pháp thử dần và giải phương trình cân bằng năng lượng, tác giả tìm được chỉ số nén đa biến trung bình $n_1 = 1,3685$ (đáp ứng điều kiện sai số giữa hai vế nhỏ hơn $0,2%$). Áp suất cuối quá trình nén đạt giá trị $P_c = 3,9037\text{ MPa}$, nhiệt độ cuối nén $T_c$.
- Quá trình cháy: Với hệ số tăng áp chọn sơ bộ $\lambda = 1,8$ và nhiệt trị nhiên liệu $Q_H = 42.500\text{ kJ/kg}$, phương trình cháy được giải với các hệ số $a'' = 29,05697$, $b'' = 0,00264$, xác định được nhiệt độ cực đại $T_z = 2032,7\text{ K}$ và áp suất tại điểm cháy $P_z = 7,027\text{ MPa}$.
- Quá trình giãn nở: Hệ số giãn nở sớm tính được $\rho = 1,2344$ (thỏa mãn điều kiện $\rho < \lambda$). Chỉ số giãn nở đa biến trung bình tính lặp đạt $n_2 = 1,2438$ (sai số hai vế $< 0,2%$). Áp suất cuối quá trình giãn nở xác định được $P_b = 0,2903\text{ MPa}$. Nhiệt độ khí thải tính toán kiểm tra đạt $T_{rt} = 787,65\text{ K}$, chênh lệch không vượt quá giới hạn $15%$ so với giá trị giả định ban đầu.
- Chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật: Áp suất chỉ thị trung bình tính toán $P'i = 0,7364\text{ MPa}$; áp suất có ích trung bình xác định qua hai cách tính cho kết quả $P{e(\text{nạp})} = 0,6768\text{ MPa}$ và $P_e = 0,6736\text{ MPa}$. Kiểm nghiệm đường kính xi lanh theo các thông số tính toán cho sai số so với đề bài là $0,045\text{ mm}$.
Dựa trên phương trình nén đa biến ($P_x \cdot V_x^{n1} = \text{const}$) và giãn nở đa biến ($P_x \cdot V_x^{n2} = \text{const}$), tác giả lập bảng số liệu gồm 18 điểm biến thiên theo thể tích $V_x = i \cdot V_c$ (với $V_c = 0,054334\text{ dm}^3$ và $V_a = 0,86948\text{ dm}^3$, trong văn bản ghi $V_a = 0,6707\text{ dm}^3$) để dựng đường cong nén và giãn nở:
| Điểm tính ($i$) | Thể tích $i \cdot V_c$ ($\text{dm}^3$) | Áp suất nén $P_{nx}$ (MPa) | Tọa độ điểm nén (mm) | Áp suất giãn nở $P_{zx}$ (MPa) | Tọa độ giãn nở (mm) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0,09209 | 4,9416 | (12,3; 115,1) | 4,0088 / 9,8832 | (14,2; 102,8 / 250) |
| 2 | 0,18418 | 1,9148 | (24,5; 49,0) | 5,0487 | (24,5; 129,4) |
| 3 | 0,27627 | 1,0997 | (36,7; 28,0) | 3,0490 | (36,7; 78,0) |
| 4 | 0,36836 | 0,7419 | (49,0; 19,02) | 2,1318 | (49,0; 54,6) |
| 6 | 0,55254 | 0,4261 | (73,3; 10,9) | 1,2875 | (73,3; 33,0) |
| 8 | 0,73672 | 0,2875 | (97,8; 7,37) | 0,9002 | (97,8; 23,0) |
| 10 | 0,92090 | 0,2119 | (122,3; 5,43) | 0,6820 | (122,3; 17,4) |
| 12 | 1,10508 | 0,1651 | (146,8; 4,23) | 0,5436 | (146,8; 14,0) |
| 14 | 1,28927 | 0,1337 | (171,2; 3,42) | 0,4488 | (171,2; 11,5) |
| 16 | 1,47345 | 0,1114 | (195,6; 2,86) | 0,3801 | (195,6; 9,74) |
| 18 | 1,65763 | 0,0948 | (220,0; 2,43) | 0,3288 | (220,0; 8,43) |
Quy trình hiệu đính đồ thị công chỉ thị được tiến hành bằng vòng tròn Brick:
- Điểm bắt đầu nạp $a$: Xác định từ góc đóng muộn xupap xả $\beta_2 = 7^\circ$.
- Điểm cuối quá trình nén thực tế $c'$: Hiệu chỉnh do phun sớm, áp suất nén thực tế lấy theo hệ số kinh nghiệm.
- Điểm tách đường nén $c''$: Xác định theo góc phun sớm $\theta = 17^\circ$ trên cung Brick.
- Điểm đạt áp suất cháy cực đại $P_{zmax}$ thực tế: Lấy lùi về sau Điểm chết trên (ĐCT) trong khoảng từ $12^\circ$ đến $15^\circ$ góc quay trục khuỷu (tương ứng $372^\circ \div 375^\circ$ toàn chu trình), tác giả chọn vị trí $375^\circ$ ($15^\circ$ sau ĐCT).
- Điểm bắt đầu quá trình thải thực tế $b'$: Xác định từ góc mở sớm xupap thải $\beta_1 = 32^\circ$.
- Điểm kết thúc giãn nở $b''$: Xác định áp suất xả thực tế thấp hơn áp suất lý thuyết.
Phần II: Tính toán động học và động lực học
Nội dung phần này giải quyết bài toán cơ học chuyển động và lực tác dụng trong cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền:
-
Quy luật động học:
- Hành trình piston $x = f(\alpha)$ được xác định bằng cách gióng các góc chia từ $10^\circ$ đến $180^\circ$ trên cung tròn Brick xuống hệ trục tọa độ với tỷ lệ xích góc chọn trong khoảng $0,6 \div 0,7\text{ mm/độ}$.
- Vận tốc piston $v = f(\alpha)$ được dựng theo phương pháp tọa độ cực thông qua nửa vòng tròn tâm $O$ bán kính $R = S/2 = 57,5\text{ mm}$ và vòng tròn bán kính $R\lambda/2$.
- Gia tốc piston $j = f(x)$ được dựng theo phương pháp Tolle: Xác định gia tốc cực đại $j_{max}$ tại ĐCT, gia tốc cực tiểu $j_{min}$ tại ĐCD và đoạn bù $EF = -3R\omega^2\lambda/2$ (trong thuyết minh ghi $-3\omega^2$).
-
Quy dẫn khối lượng và tính toán lực:
- Nhóm chi tiết chuyển động tịnh tiến: Khối lượng nhóm piston $m_{pt}$ và khối lượng thanh truyền quy dẫn về tâm chốt piston $m_1$. Trong mục tính toán lực quán tính, tác giả sử dụng giá trị khối lượng quy dẫn tịnh tiến là $3,5\text{ kg}$.
- Nhóm chi tiết chuyển động quay: Gồm khối lượng thanh truyền quy dẫn về đầu to ($m_2$), khối lượng chốt khuỷu ($m_{ch}$ tính từ kích thước ngoài $65\text{ mm}$, trong $26\text{ mm}$, dài $47\text{ mm}$, khối lượng riêng thép $\rho = 7800\text{ kg/m}^3$) và khối lượng má khuỷu quy dẫn ($m_{om}$).
- Lực quán tính tịnh tiến: Xác định theo quy luật $P_j = -m \cdot j$, với giá trị cực đại $P_{jmax} = 0,983\text{ MPa}$ và cực tiểu $P_{jmin}$. Đường $-P_j = f(x)$ được vẽ cùng hệ trục với đồ thị công.
- Khai triển đồ thị áp suất khí thể: Đồ thị công $P-V$ được khai triển thành $P_{kt} = f(\alpha)$ cho toàn chu trình $720^\circ$ với tỷ lệ xích trục hoành $\mu_\alpha = 2^\circ/\text{mm}$ (chiều dài toàn chu trình là $360\text{ mm}$). Lực tổng cộng tác dụng lên đỉnh piston được tổng hợp theo công thức $P_\Sigma = P_{kt} + P_j$.
-
Lực tiếp tuyến, lực pháp tuyến và mô men tổng:
- Tính toán lực tiếp tuyến $T = P_\Sigma \cdot \frac{\sin(\alpha + \beta)}{\cos\beta}$ và lực pháp tuyến $Z = P_\Sigma \cdot \frac{\cos(\alpha + \beta)}{\cos\beta}$, trong đó góc lắc thanh truyền $\beta$ phụ thuộc vào góc quay $\alpha$ và thông số kết cấu $\lambda = R/l_{tt} = 57,5/205 \approx 0,28$.
- Đường biểu diễn tổng lực tiếp tuyến $\Sigma T = f(\alpha)$ được triển khai cho động cơ 4 kỳ, 4 xi lanh làm việc theo thứ tự nổ 1 - 3 - 4 - 2:
| Xi lanh | Kỳ nạp | Kỳ nén | Kỳ cháy | Kỳ thải | Góc lệch pha công tác ($\alpha_i$) |
|---|---|---|---|---|---|
| Xi lanh 1 | $0^\circ \div 180^\circ$ | $180^\circ \div 360^\circ$ | $360^\circ \div 540^\circ$ | $540^\circ \div 720^\circ$ | $\alpha_1 = 0^\circ$ |
| Xi lanh 2 | $540^\circ \div 720^\circ$ | $0^\circ \div 180^\circ$ | $180^\circ \div 360^\circ$ | $360^\circ \div 540^\circ$ | $\alpha_2 = 180^\circ$ |
| Xi lanh 3 | $180^\circ \div 360^\circ$ | $360^\circ \div 540^\circ$ | $540^\circ \div 720^\circ$ | $0^\circ \div 180^\circ$ | $\alpha_3 = 540^\circ$ |
| Xi lanh 4 | $360^\circ \div 540^\circ$ | $540^\circ \div 720^\circ$ | $0^\circ \div 180^\circ$ | $180^\circ \div 360^\circ$ | $\alpha_4 = 360^\circ$ |
- Kiểm nghiệm mô men tiếp tuyến trung bình: Tác giả xác định $\Sigma T_{tb}$ từ đồ thị bằng phương pháp đếm diện tích $F_{\Sigma T}$ chia cho chiều dài chu trình, đồng thời tính toán giá trị lý thuyết theo công suất động cơ ($N_e = 8,83\text{ kW}$, diện tích đỉnh piston $F_{pt} = 7,088 \cdot 10^{-3}\text{ m}^2$, bán kính quay $R = 57,5 \cdot 10^{-3}\text{ m}$, $n = 2200\text{ v/ph}$). Sai số so sánh giữa hai phương pháp đạt $4,75%$, thỏa mãn điều kiện kỹ thuật cho phép ($< 5%$).
Chương III: Tính nghiệm bền các chi tiết chính
Chương này tập trung vào việc tính nghiệm bền chi tiết chịu tải phức tạp nhất của động cơ là trục khuỷu. Tác giả khảo sát hai trạng thái làm việc nguy hiểm nhất:
- Trường hợp động cơ chịu lực khí thể lớn nhất ($P_{zmax}$): Xảy ra khi piston ở lân cận ĐCT trong quá trình cháy sinh công ($\alpha \approx 372^\circ \div 375^\circ$). Tại thời điểm này, lực tiếp tuyến $T$ nhỏ nhưng lực pháp tuyến và áp lực khí thể tác dụng vuông góc xuống cổ trục đạt giá trị cực đại, gây ra ứng suất uốn lớn nhất lên chốt khuỷu và má khuỷu.
- Trường hợp động cơ chịu mô men xoắn cực đại ($T_{max}$): Xảy ra khi góc hợp bởi thanh truyền và bán kính quay trục khuỷu tạo điều kiện cho lực tiếp tuyến $T$ đạt giá trị đỉnh. Trục khuỷu chịu trạng thái ứng suất phức tạp do tác dụng đồng thời của mô men xoắn và mô men uốn.
Kết quả và đóng góp
Kết quả chính
Đồ án đã lượng hóa toàn bộ các thông số chu trình công tác nhiệt, động học, động lực học và nghiệm bền của động cơ D12, cụ thể:
- Xác định đầy đủ các điểm trạng thái nhiệt động: áp suất nén $P_c = 3,9037\text{ MPa}$, áp suất cháy cực đại $P_z = 7,027\text{ MPa}$, nhiệt độ cháy $T_z = 2032,7\text{ K}$, áp suất giãn nở $P_b = 0,2903\text{ MPa}$, nhiệt độ khí xả $T_{rt} = 787,65\text{ K}$.
- Đánh giá các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật chu trình: Áp suất chỉ thị trung bình $P'_i = 0,7364\text{ MPa}$, áp suất có ích trung bình $P_e = 0,6736 \div 0,6768\text{ MPa}$, sai số đường kính xi lanh kiểm nghiệm so với đề bài rất nhỏ, chỉ $0,045\text{ mm}$.
- Xây dựng bảng tọa độ số liệu 18 điểm của đường nén và đường giãn nở, kết hợp hiệu đính thành công đồ thị công $P-V$ theo các hiện tượng thực tế (phun sớm, đóng mở xupap).
- Triển khai đồ thị động học ($x, v, j$) và động lực học ($P_{kt}, P_j, P_\Sigma, T, Z, \Sigma T$), kiểm chứng sai số mô men tiếp tuyến trung bình đạt mức $4,75%$ (nằm trong giới hạn sai số cho phép $< 5%$).
- Xác định được điều kiện chịu tải nguy hiểm nhất của trục khuỷu tại hai chế độ tải trọng biên ($P_{zmax}$ và $T_{max}$).
Đóng góp kỹ thuật
Tác giả đã hệ thống hóa và áp dụng thành công quy trình kết hợp giữa giải tích toán học và phương pháp đồ giải truyền thống trong ngành cơ khí động lực:
- Ứng dụng chuẩn xác phương pháp vòng tròn Brick trong việc giải quyết bài toán hiệu đính đồ thị công và chuyển dịch tọa độ thể tích sang tọa độ góc quay trục khuỷu.
- Làm chủ phương pháp Tolle để giải quyết bài toán động lực học lực quán tính chuyển động tịnh tiến.
- Cung cấp giải pháp tính toán kiểm tra chéo độ tin cậy của đồ thị tiếp tuyến thông qua cân bằng năng lượng với công suất có ích thực tế của động cơ.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế được ghi nhận từ văn bản
- Sự không nhất quán trong dữ liệu đầu vào: Bảng thông số ban đầu của đề bài ghi loại động cơ là "Đ/ cơ Xăng, không tăng áp" và số xi lanh $i = 1$, nhưng toàn bộ phần tính toán nhiệt lại áp dụng lý thuyết và công thức của động cơ diesel (phun nhiên liệu, tỷ số nén 16, công thức cháy hỗn hợp diesel); đồng thời ở Phần II lại mở rộng phân tích tổng lực tiếp tuyến $\Sigma T$ cho cấu hình động cơ 4 kỳ 4 xi lanh với thứ tự nổ 1 - 3 - 4 - 2.
- Dữ liệu khối lượng và hình học: Một số thông số phải trích xuất hoặc đo đạc trực tiếp từ bản vẽ kết cấu (như kích thước buồng cháy, kích thước tiết diện thân thanh truyền); khối lượng nhóm piston có sự khác biệt giữa bảng số liệu ban đầu ($1,15\text{ kg}$) và số liệu quy dẫn đưa vào tính toán lực quán tính ở phần động lực học ($3,5\text{ kg}$).
- Mức độ hoàn thiện nội dung: Bản văn bản mới hoàn thiện chi tiết phần tính toán nhiệt và động lực học; nội dung tính nghiệm bền ở Chương III mới dừng lại ở việc nêu phương pháp luận và các trường hợp chịu lực nguy hiểm ($P_{zmax}, T_{max}$), chưa trình bày chi tiết các bước giải số học cụ thể cho từng tiết diện cổ trục và chốt khuỷu.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Thống nhất mô hình tính toán ngay từ dữ liệu giao đề (chuẩn hóa toàn bộ cho động cơ diesel 1 xi lanh hoặc cụm động cơ 4 xi lanh hoàn chỉnh).
- Mở rộng tính nghiệm bền đầy đủ cho các chi tiết then chốt khác trong cơ cấu biên - trục khuỷu gồm: thân thanh truyền, bu lông thanh truyền, piston và chốt piston.
- Ứng dụng phần mềm mô phỏng nhiệt động và phần tử hữu hạn (FEA) để kiểm chứng số liệu tính toán giải tích và đồ giải thủ công.
Giá trị tham khảo
Tài liệu này là nguồn tài liệu học thuật trực quan cho:
- Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Công nghệ Kỹ thuật Ô tô thực hiện đồ án môn học "Tính toán Động cơ đốt trong" hoặc đồ án tốt nghiệp liên quan đến tính toán chu trình nhiệt và động lực học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền.
- Người làm đề tài tham khảo phương pháp dựng đồ thị công bằng bảng số liệu 18 điểm nén/giãn nở, kỹ thuật sử dụng vòng tròn Brick để hiệu đính các pha phối khí và góc phun sớm, cũng như quy trình dựng đồ thị gia tốc Tolle trên giấy kẻ ly khổ lớn.
- Phần đáng tham khảo nhất là phương pháp lập bảng phân pha công tác và quy trình cộng đồ thị lực tiếp tuyến của các xi lanh ($\Sigma T = f(\alpha)$) theo thứ tự làm việc 1 - 3 - 4 - 2.
Câu hỏi thường gặp
1. Các thông số vận hành cơ bản của động cơ D12 được cho trong đồ án là gì?
Động cơ D12 có công suất định mức $N_e = 8,83\text{ kW}$ (tương đương $12\text{ mã lực}$) tại số vòng quay $n = 2200\text{ vòng/phút}$. Động cơ có đường kính xi lanh $D = 95\text{ mm}$, hành trình piston $S = 115\text{ mm}$, dung tích công tác $V_h = 0,81515\text{ dm}^3$ và tỷ số nén $\varepsilon = 16$.
2. Chỉ số nén đa biến $n_1$ và chỉ số giãn nở đa biến $n_2$ được xác định là bao nhiêu?
Qua quá trình giải phương trình lặp nhiệt động với điều kiện sai số giữa hai vế nhỏ hơn $0,2%$, tác giả xác định được chỉ số nén đa biến trung bình $n_1 = 1,3685$ và chỉ số giãn nở đa biến trung bình $n_2 = 1,2438$.
3. Tác giả sử dụng phương pháp đồ giải nào để hiệu đính đồ thị công và xác định quy luật động học?
Tác giả sử dụng phương pháp vòng tròn Brick (với tâm lệch $OO'$ phía trên đồ thị công) để hiệu đính các điểm chuyển pha nạp, xả, phun sớm và điểm áp suất cực đại $P_{zmax}$; sử dụng phương pháp đồ thị cực hai vòng tròn đồng tâm ($R$ và $R\lambda/2$) để xác định vận tốc piston $v = f(\alpha)$; và phương pháp Tolle (Tô-lê) để dựng đường gia tốc piston $j = f(x)$.
4. Sai số kiểm nghiệm giữa phương pháp đồ thị và phương pháp tính toán giải tích là bao nhiêu?
Sai số giữa mô men tiếp tuyến trung bình $T_{tb}$ xác định bằng phương pháp đếm diện tích trên đồ thị ($F_{\Sigma T}$) và giá trị tính toán lý thuyết từ công suất có ích $N_e$ đạt $4,75%$, nằm trong giới hạn sai số cho phép của bài toán kỹ thuật ($< 5%$).
5. Vì sao có sự khác nhau về loại động cơ giữa bảng số liệu đề bài và nội dung tính toán?
Bảng số liệu ban đầu ghi "Đ/ cơ Xăng, không tăng áp", nhưng xuyên suốt nội dung thuyết minh tính nhiệt, tác giả phân tích và áp dụng công thức của động cơ diesel ($\varepsilon = 16$, góc phun sớm $\theta = 17^\circ$, nhiệt trị $42.500\text{ kJ/kg}$, tỷ lệ thành phần nhiên liệu $C, H, O$ của dầu diesel). Đây là lỗi không nhất quán về mặt biên tập văn bản giữa phần đề mục ban đầu và nội dung tính toán thực tế của sinh viên.
Kết luận
Đồ án môn học "Tính toán động cơ đốt trong" của sinh viên Phạm Trung Kiên đã hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán chu trình công tác nhiệt và động lực học cơ cấu biên - trục khuỷu cho động cơ D12. Thông qua sự kết hợp giữa phương pháp giải tích số học và các phương pháp đồ giải chuyên ngành (Brick, Tolle), đồ án đã xác lập được toàn bộ hệ thống thông số nhiệt, động học, lực khí thể, lực quán tính và mô men tổng với độ chính xác tin cậy (sai số kiểm nghiệm đạt $4,75%$). Mặc dù còn một số điểm chưa đồng nhất về mặt biên tập giữa số liệu giao đề ban đầu và thuyết minh thực tế, công trình vẫn mang giá trị tham khảo kỹ thuật rõ ràng cho sinh viên khối ngành cơ khí động lực và công nghệ ô tô.