Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án môn học chuyên ngành Động cơ đốt trong với đề tài "Tính toán động cơ đốt trong" (Đề số 08) được thực hiện tại Khoa Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Trường Đại học Công nghệ Đông Á (năm 2023) dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Ngọc Tú. Đề tài tập trung vào việc tính toán chu trình nhiệt động học, động lực học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền và kiểm nghiệm bền kết cấu cho động cơ Diesel 3D6.

Trong thực tiễn kỹ thuật cơ khí động lực và máy tàu thủy, động cơ Diesel 3D6 là loại động cơ tĩnh tại và tàu thuyền 4 kỳ, 6 xilanh thẳng hàng, sử dụng buồng cháy thống nhất và nạp khí tự nhiên (không tăng áp). Việc tính toán chu trình công tác và kiểm nghiệm kết cấu là bước kỹ thuật cơ bản nhằm xác định các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, phân tích trạng thái tải trọng động lực học của cơ cấu biến đổi chuyển động, đồng thời đánh giá độ bền an toàn của các chi tiết then chốt trong điều kiện vận hành định mức.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể theo các bước:

  1. Nhiệm vụ 1: Tính toán nhiệt chu trình công tác của động cơ ở chế độ danh định, xác định các thông số trạng thái của môi chất tại các điểm đặc trưng của chu trình (nạp, nén, cháy, giãn nở, thải), đánh giá các chỉ tiêu chỉ thị và có ích, kiểm nghiệm đường kính xilanh.
  2. Nhiệm vụ 2: Xây dựng và hiệu đính đồ thị công chỉ thị ($P-V$ và $P-\alpha$) dựa trên các thông số phân phối khí và góc phun sớm thực tế.
  3. Nhiệm vụ 3: Tính toán động học (hành trình, vận tốc, gia tốc piston) và động lực học (lực khí thể, lực quán tính chuyển động tịnh tiến, lực quán tính ly tâm, lực tiếp tuyến $T$, lực pháp tuyến $Z$, mô men tổng $T_\Sigma$), lập đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu và đầu to thanh truyền.
  4. Nhiệm vụ 4: Tính toán kiểm nghiệm sức bền các bộ phận chịu lực chính của thanh truyền (đầu to, đầu nhỏ, thân thanh truyền) và bu lông thanh truyền theo các chế độ tải trọng giới hạn.

Đối tượng nghiên cứu là động cơ Diesel 3D6 với các thông số ban đầu của Đề số 08:

Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Kiểu động cơ - 3D6 (Diesel 1 hàng, không tăng áp, buồng cháy thống nhất) -
Số kỳ $\tau$ 4 kỳ
Số xilanh $i$ 6 xilanh
Thứ tự nổ (làm việc) - 1 - 5 - 3 - 6 - 2 - 4 -
Hành trình piston $S$ 180 mm
Đường kính xilanh $D$ 150 mm
Chiều dài thanh truyền $l_{tt}$ 320 mm
Công suất định mức $N_e$ 170 (tương đương 112,5 kW) mã lực
Số vòng quay định mức $n$ 1700 vòng/phút
Tỷ số nén $\varepsilon$ 14,5 -
Suất tiêu hao nhiên liệu $g_e$ 210 g/ml.h
Khối lượng thanh truyền $m_{tt}$ 5,62 kg
Khối lượng nhóm piston $m_{pt}$ 2,37 kg
Góc mở sớm / đóng muộn xupáp nạp $\alpha_1 / \alpha_2$ $20^\circ / 48^\circ$ độ trục khuỷu
Góc mở sớm / đóng muộn xupáp xả $\beta_1 / \beta_2$ $48^\circ / 20^\circ$ độ trục khuỷu
Góc phun sớm $\varphi_i$ $30^\circ$ độ trục khuỷu

Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong phương pháp giải tích nhiệt động học cổ điển kết hợp phương pháp đồ giải kỹ thuật trên giấy kẻ ly, áp dụng cho trạng thái làm việc ổn định ở công suất định mức $N_e = 170$ mã lực tại $n = 1700$ vòng/phút của động cơ 3D6 theo tài liệu hướng dẫn và giáo trình chuyên ngành tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết nhiệt động lực học động cơ đốt trong và sức bền chi tiết máy, tham khảo giáo trình Nguyên lý Động cơ đốt trong (Nguyễn Tất Tiến) cùng các phương pháp tính toán động cơ chuyên ngành:

  • Khung lý thuyết tính toán nhiệt: Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp (chu trình Sabathe) cho động cơ Diesel không tăng áp. Mô hình tính toán nhiệt hóa cân bằng xác định lượng không khí lý thuyết $M_0$, lượng khí nạp mới $M_1$, hệ số dư lượng không khí $\alpha$, lượng sản vật cháy $M_2$ và hệ số biến đổi phân tử ($\beta_0, \beta, \beta_z$). Quá trình nén và giãn nở được mô hình hóa qua các phương trình nhiệt động đa biến trung bình với các chỉ số $n_1, n_2$ giải theo phương pháp lặp cân bằng nhiệt.
  • Phương pháp đồ giải động học và động lực học:
    • Phương pháp đồ thị vòng (đồ thị Brick): Dựng quan hệ chuyển vị $x = f(\alpha)$ và vận tốc piston $v = f(\alpha)$ trên tọa độ cực và tọa độ phẳng dựa trên tâm sai kết cấu $OO' = \lambda R / 2$ (với thông số kết cấu $\lambda = R/l_{tt} = 90/320 \approx 0,28125$).
    • Phương pháp Toolê (Tô-lê): Dựng đường cong biểu diễn gia tốc piston $j = f(x)$ và đường biểu diễn lực quán tính chuyển động tịnh tiến $P_j = f(x)$.
    • Phương pháp khai triển và tổng hợp đồ thị: Khai triển áp suất môi chất $P - V$ sang đồ thị $P - \alpha$, cộng đại số với lực quán tính $P_j$ để xác định lực tác dụng tổng $P_\Sigma$, sau đó phân tích thành lực tiếp tuyến $T(\alpha)$ và lực pháp tuyến $Z(\alpha)$.
    • Phương pháp véc-tơ phụ tải không gian: Xây dựng đồ thị véc-tơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu trên hệ trục tọa độ $T - Z$, kết hợp với véc-tơ lực quán tính ly tâm $P_{ko}$ để xác định quy luật biến thiên hợp lực $Q = f(\alpha)$ và chuyển đổi sang hệ tọa độ gắn trên đầu to thanh truyền.
  • Phương pháp kiểm nghiệm bền kết cấu:
    • Phương pháp Kinaxotsvili: Tính toán độ bền đầu to thanh truyền dưới tác dụng của lực quán tính cực đại tại điểm chết trên ($P_d$). Coi đầu to thanh truyền như một dầm cong tiết diện không đổi ngàm một đầu ở tiết diện $B - B$ ứng với góc $\gamma_0 = 40^\circ$, chịu tải phân bố theo quy luật cosin, cắt tại tiết diện $A - A$ để xác định mô men uốn $M_A$, lực pháp tuyến $N_A$, ứng suất uốn - kéo kết hợp $\sigma_\Sigma$ và độ biến dạng đường kính $\delta$.
    • Phương pháp sức bền vật liệu truyền thống: Phân tích ứng suất kéo, nén, uốn trên đầu nhỏ thanh truyền và ứng suất do lực ép dôi bạc lót ở nhiệt độ làm việc $t = 150^\circ\text{C}$.

Nguồn dữ liệu tính toán bao gồm các số liệu kỹ thuật quy chuẩn của Đề số 08, các hằng số vật lý nhiệt động của nhiên liệu Diesel (thành phần khối lượng $\text{C} = 0,87; \text{H} = 0,126; \text{O} = 0,004$; nhiệt trị thấp $Q_H = 42.500\text{ kJ/kg}$) và các thông số thực nghiệm được lựa chọn theo điều kiện khí hậu Việt Nam.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tính toán nhiệt động cơ

Chương này trình bày toàn bộ trình tự tính toán nhiệt động học của chu trình công tác động cơ Diesel 3D6 theo từng quá trình nạp, nén, cháy, giãn nở và thải, đồng thời kiểm nghiệm lại đường kính xilanh và hiệu đính đồ thị công.

Các thông số nhiệt động chọn ban đầu:

  • Áp suất môi trường: $p_k = p_0 = 0,1\text{ MPa}$ (ở điều kiện tự nhiên Việt Nam).
  • Nhiệt độ môi trường: $T_k = T_0 = 24^\circ\text{C} = 297\text{ K}$.
  • Áp suất cuối quá trình nạp: $p_a = 0,085\text{ MPa}$ (chọn trong khoảng $0,8 \div 0,9 p_k$).
  • Áp suất khí thải: $p_r = 0,11\text{ MPa}$ (chọn trong khoảng $1,05 \div 1,15 p_k$).
  • Mức độ sấy nóng môi chất: $\Delta T = 25^\circ\text{C} = 298\text{ K}$.
  • Nhiệt độ khí sót: $T_r = 800\text{ K}$ (chọn trong khoảng $700 \div 1000\text{ K}$).
  • Hệ số nạp thêm: $\lambda_1 = 1,02$; hệ số quét buồng cháy $\lambda_2 = 1$ (động cơ không tăng áp).
  • Hệ số lợi dụng nhiệt: tại điểm $z$ chọn $\xi_z = 0,78$; tại điểm $b$ chọn $\xi_b = 0,90$.
  • Hệ số hiệu đính đồ thị công: $\varphi_d = 0,94$.

Kết quả tính toán các quá trình công tác:

  • Quá trình nạp: Xác định hệ số khí sót $\gamma_r$ với chỉ số giãn nở đa biến khí sót $m = 1,5$; nhiệt độ cuối nạp $T_a$; hệ số nạp $\eta_v$; lượng không khí lý thuyết $M_0 = 0,4946\text{ kmol/kg nl}$; lượng khí nạp mới $M_1$ và hệ số dư lượng không khí $\alpha$.
  • Quá trình nén: Xác định tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của không khí, sản phẩm cháy và hỗn hợp nén. Chỉ số nén đa biến trung bình $n_1$ được giải phương trình nghiệm lặp trong khoảng $1,340 \div 1,390$, đạt giá trị cân bằng với sai số $0,1483% < 0,2%$. Xác định áp suất cuối nén $p_c$ và nhiệt độ cuối nén $T_c$.
  • Quá trình cháy: Tính hệ số biến đổi phân tử lý thuyết $\beta_0$, hệ số biến đổi phân tử thực tế $\beta$, hệ số biến đổi phân tử tại điểm $z$ là $\beta_z$ (với hệ số cháy chưa hết $\chi_z = \xi_z / \xi_b = 0,78 / 0,90$). Giải phương trình cháy tìm nhiệt độ cực đại $T_z$; xác định áp suất cháy cực đại $p_z = \lambda p_c = 6,874\text{ MPa}$ với hệ số tăng áp $\lambda$.
  • Quá trình giãn nở: Xác định hệ số giãn nở sớm $\rho$ và hệ số giãn nở sau $\delta$. Chỉ số giãn nở đa biến $n_2 = 1,2438$ được xác định qua phương trình cân bằng nhiệt lượng với sai số $0,1599% < 0,2%$. Áp suất cuối giãn nở $p_b$ và nhiệt độ cuối giãn nở $T_b$ được tính toán đầy đủ. Nhiệt độ khí thải tính toán $T_{rt}$ thỏa mãn điều kiện sai số $< 15%$ so với nhiệt độ $T_r$ đã chọn ban đầu.
  • Chỉ tiêu công tác và kiểm nghiệm đường kính: Tính áp suất chỉ thị trung bình $p_i$, suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị $g_i$, hiệu suất chỉ thị $\eta_i$. Áp suất tổn thất cơ giới $p_m$ được tính theo công thức thực nghiệm cho động cơ Diesel cao tốc ($v_{tb} > 7\text{ m/s}$). Từ đó xác định áp suất có ích trung bình $p_e$, hiệu suất cơ giới $\eta_m$, suất tiêu hao nhiên liệu có ích $g_e$ và hiệu suất có ích $\eta_e$.
  • Kiểm nghiệm đường kính xilanh: Đường kính xilanh tính toán lý thuyết từ dung tích công tác đạt $D = 150,0039\text{ mm}$, sai số $\Delta D = 0,0039\text{ mm} < 0,1\text{ mm}$, hoàn toàn phù hợp với thông số thiết kế $D = 150\text{ mm}$.
  • Hiệu đính đồ thị công: Lập bảng biến thiên thể tích $V_x$ và áp suất theo đường nén ($P \cdot V^{n_1} = \text{const}$) và đường giãn nở ($P \cdot V^{n_2} = \text{const}$). Dựng vòng tròn Brick đặt phía trên đồ thị công với bán kính $R = 90\text{ mm}$ và độ lệch tâm $OO' = \lambda R / 2 = 12,656\text{ mm}$. Tiến hành hiệu đính các điểm đặc trưng: điểm bắt đầu nạp ($a$), áp suất cuối nén thực tế ($c'$), điểm tách đường nén do phun sớm ($c''$), điểm áp suất cực đại thực tế $p_{z\max}$ (tại góc $372^\circ \div 375^\circ$, tức $12^\circ \div 15^\circ$ sau ĐCT), điểm mở sớm xupáp xả ($b'$) và áp suất cuối giãn nở thực tế $p_{b''} = 0,18662\text{ MPa}$.

Chương 2: Tính toán động học, động lực học

Chương này giải quyết bài toán động học và động lực học cơ cấu biến đổi chuyển động piston - trục khuỷu - thanh truyền của động cơ 6 xilanh.

Nội dung tính toán chi tiết:

  • Động học piston:
    • Dựng đường biểu diễn hành trình piston $x = f(\alpha)$ từ đồ thị Brick với tỉ lệ xích góc $0,6 \div 0,7\text{ mm/độ}$.
    • Dựng đường biểu diễn vận tốc piston $v = f(\alpha)$ bằng phương pháp đồ thị vòng trên tọa độ cực với các vòng tròn bán kính $R$ và $R\lambda / 2$.
    • Dựng đường biểu diễn gia tốc piston $j = f(x)$ theo phương pháp Toolê với vận tốc góc $\omega = 178,02\text{ rad/s}$ (tương ứng $n = 1700\text{ v/ph}$), xác định gia tốc cực đại tại ĐCT $j_{\max} = R\omega^2(1+\lambda) = 3658,5\text{ m/s}^2$ và gia tốc cực tiểu tại ĐCD $j_{\min} = -R\omega^2(1-\lambda) = -1594,48\text{ m/s}^2$.
  • Quy dẫn khối lượng:
    • Nhóm tịnh tiến: $m = m_{npt} + m_1 = 2,37 + 1,5254 = 3,8954\text{ kg}$ (với $m_1$ là khối lượng thanh truyền quy dẫn về tâm chốt piston).
    • Nhóm chuyển động quay: xác định khối lượng thanh truyền quy dẫn về tâm chốt khuỷu $m_2 = m_{tt} - m_1 = 3,7346\text{ kg}$, khối lượng chốt khuỷu $m_{ch}$ (đường kính ngoài $d_{ch} = 85\text{ mm}$, đường kính trong $44\text{ mm}$, chiều dài $l_{ch} = 70\text{ mm}$, khối lượng riêng thép $\rho = 7800\text{ kg/m}^3$) và khối lượng má khuỷu quy dẫn $m_{0m}$.
  • Động lực học và lực tiếp tuyến, lực pháp tuyến:
    • Lực quán tính tịnh tiến $P_j = -m \cdot j$ được tính toán và dựng theo phương pháp Toolê với cùng tỉ lệ xích áp suất.
    • Khai triển đồ thị công $P - V$ thành $P - \alpha$ trên cung $0^\circ \div 720^\circ$, cộng với $P_j - \alpha$ tạo thành áp suất tổng $P_\Sigma = P + P_j$.
    • Tính lực tiếp tuyến $T = P_\Sigma \frac{\sin(\alpha+\beta)}{\cos\beta}$ và lực pháp tuyến $Z = P_\Sigma \frac{\cos(\alpha+\beta)}{\cos\beta}$ theo từng góc quay trục khuỷu $\alpha$ và góc lắc thanh truyền $\beta = \arcsin(\lambda \sin\alpha)$.
  • Mô men tổng của động cơ 6 xilanh:
    • Lập bảng tính mô men tiếp tuyến $T_\Sigma$ cho 6 xilanh làm việc theo thứ tự 1-5-3-6-2-4 với góc lệch công tác giữa các khuỷu $\delta_i = 120^\circ$.
    • Xác định mô men tiếp tuyến trung bình $T_{tb}$ bằng phương pháp tích phân diện tích đồ thị ($T_{tb} = 0,44\text{ MPa}$) và so sánh với giá trị tính theo công suất có ích ($T_{tb} = 0,42\text{ MPa}$), độ sai lệch $\Delta T = 0,02\text{ MPa} < 5%$, đạt tiêu chuẩn chính xác kỹ thuật.
  • Đồ thị phụ tải chốt khuỷu và đầu to thanh truyền:
    • Tính lực quán tính ly tâm của khối lượng quay quy dẫn về tâm chốt khuỷu: $P_{ko} = m_2 R \omega^2 / F_p = 1,27\text{ MPa}$.
    • Dựng đồ thị véc-tơ phụ tải trên hệ trục $0'TZ$, tịnh tiến gốc tọa độ một đoạn $P_{ko}$ để xác định tâm $O$, từ đó xác định véc-tơ hợp lực $Q(\alpha)$ tác dụng lên chốt khuỷu.
    • Khảo sát đường cong $Q = f(\alpha)$, tính trị số lực trung bình $Q_{tb} = 22,4\text{ mm}$ (trên đồ thị) và xác định hệ số va đập phụ tải $\mu = Q_{\max} / Q_{tb} = 5,85$.
    • Chuyển tiếp phụ tải sang hệ trục quay của đầu to thanh truyền bằng phương pháp xoay góc ngược chiều trên giấy bóng mờ để xác định vùng chịu mài mòn lớn nhất và định vị lỗ khoan dầu bôi trơn.

Chương 3: Tính nghiệm bền các chi tiết

Chương này thực hiện kiểm nghiệm bền cho cụm thanh truyền và bu lông thanh truyền của động cơ 3D6 dựa trên các thông số hình học và chế độ tải trọng lớn nhất:

Thông số ban đầu của cụm thanh truyền:

  • Đầu nhỏ thanh truyền: đường kính ngoài $d_2 = 47\text{ mm}$, đường kính trong $d_1 = 65\text{ mm}$ (ghi nhận theo bảng số liệu kết cấu), chiều dài đầu nhỏ $l_đ = 52\text{ mm}$, đường kính trong bạc lót $d_b = 42\text{ mm}$, bán kính góc lượn nối thân $r_1 = 180\text{ mm}$, chiều rộng thân tại chỗ nối $H = 46\text{ mm}$, nhiệt độ làm việc $t = 150^\circ\text{C}$.
  • Đầu to và thân thanh truyền: nắp đầu to có khối lượng $m_n = 2\text{ kg}$, chiều dày $h_2 = 16\text{ mm}$, chiều dài $l_n = 73\text{ mm}$; khoảng cách giữa 2 đường tâm bu lông $l = C = 130\text{ mm}$; bạc đầu to có chiều dài $l_b = 68\text{ mm}$, chiều dày $h_1 = 3\text{ mm}$; kích thước tiết diện thân $H = 57\text{ mm}, h = 41\text{ mm}, B = 36\text{ mm}$.
  • Bu lông thanh truyền: số lượng $z = 2$, ren hệ mét M24, đường kính chân ren nhỏ nhất $d_{min} = 8,5\text{ mm}$.

Nội dung kiểm nghiệm bền:

  • Kiểm nghiệm bền đầu to thanh truyền theo phương pháp Kinaxotsvili:
    • Xác định lực quán tính tác dụng lên nắp đầu to tại ĐCT ở chế độ số vòng quay định mức: $$P_d = M_{tt} R \omega^2 (1+\lambda) + (M_2 - M_n) R \omega^2 = 14565,8\text{ N}$$
    • Mô hình hóa nắp đầu to thành dầm cong ngàm ở tiết diện $B - B$ ứng với góc $\gamma_0 = 40^\circ$. Xác định mô men uốn thay thế $M_A$ và lực pháp tuyến $N_A$ tại tiết diện đỉnh $A - A$.
    • Tính toán mô men quán tính $J_d, J_b$, diện tích tiết diện $F_d, F_b$ của nắp đầu to và bạc lót, mô đun chống uốn $W_u$.
    • Tính ứng suất tổng $\sigma_\Sigma$ kết hợp giữa uốn và kéo tại tiết diện $A - A$, so sánh và đánh giá nằm trong giới hạn ứng suất cho phép của vật liệu thép cacbon $[\sigma_\Sigma] = 80 \div 150\text{ MN/m}^2$.
    • Kiểm nghiệm độ biến dạng đường kính đầu to $\delta$ dưới tác dụng của lực $P_d$ theo công thức thực nghiệm: $$\delta = \frac{0,0024 P_d C^3}{E_d (J_b + J_d)}$$ nhằm đảm bảo khe hở hình thành màng dầu bôi trơn thủy động.
  • Tính toán sức bền đầu nhỏ thanh truyền:
    • Phân tích trạng thái chịu lực phức tạp bao gồm lực quán tính của nhóm piston $P_j$, lực khí thể $P_g$, lực do biến dạng và ứng suất phụ sinh ra do độ dôi ép lắp ghép bạc lót ở nhiệt độ vận hành $150^\circ\text{C}$.
    • Khảo sát ứng suất kéo, nén, uốn ở chế độ công suất cực đại và chế độ vòng quay cực đại khi có bộ điều tốc hoặc khi vượt tốc tự do $n_{\max} = (1,25 \div 1,30) n_e$.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã tính toán đầy đủ các thông số nhiệt động, động học, động lực học và độ bền cho động cơ Diesel 3D6 (Đề số 08). Các kết quả định lượng chính được tổng hợp trong bảng sau:

Thông số / Chỉ tiêu tính toán Ký hiệu Giá trị tính toán Đơn vị
Áp suất cuối quá trình nén $p_c$ Đã xác định theo $n_1$ MPa
Áp suất cháy cực đại $p_z$ 6,874 MPa
Chỉ số giãn nở đa biến trung bình $n_2$ 1,2438 -
Áp suất cuối giãn nở thực tế $p_{b''}$ 0,18662 MPa
Lượng không khí lý thuyết $M_0$ 0,4946 kmol/kg nl
Đường kính xilanh tính toán $D_{tt}$ 150,0039 mm
Sai số đường kính xilanh $\Delta D$ 0,0039 (đạt yêu cầu $< 0,1$) mm
Gia tốc piston cực đại tại ĐCT $j_{\max}$ 3658,5 $\text{m/s}^2$
Gia tốc piston cực tiểu tại ĐCD $j_{\min}$ -1594,48 $\text{m/s}^2$
Khối lượng tịnh tiến quy dẫn $m$ 3,8954 kg
Áp suất quán tính ly tâm $P_{ko}$ 1,27 MPa
Mô men tiếp tuyến trung bình đồ thị $T_{tb}$ 0,44 MPa
Mô men tiếp tuyến trung bình công suất $T_{tb(Ne)}$ 0,42 MPa
Sai số mô men tiếp tuyến trung bình $\Delta T$ 0,02 (đạt yêu cầu $< 5%$) MPa
Hệ số va đập phụ tải chốt khuỷu $\mu$ 5,85 -
Lực quán tính tính nắp đầu to tại ĐCT $P_d$ 14565,8 N

Các giải pháp và kết luận kỹ thuật rút ra từ đồ án:

  • Vị trí lỗ khoan cấp dầu bôi trơn trên bề mặt chốt khuỷu được xác định dựa trên vùng chịu lực cực tiểu của đồ thị phụ tải $Q - \alpha$, tránh bố trí vào vùng chịu áp lực tiếp xúc lớn nhất gây phá hủy màng dầu.
  • Kiểm nghiệm kết cấu nắp đầu to thanh truyền theo phương pháp Kinaxotsvili chứng minh ứng suất tổng $\sigma_\Sigma$ thỏa mãn điều kiện bền vật liệu thép cacbon ($[\sigma_\Sigma] = 80 \div 150\text{ MN/m}^2$) và độ biến dạng đường kính $\delta$ nằm trong giới hạn khe hở dầu bôi trơn cho phép.
  • Hệ thống đồ thị công chỉ thị sau khi hiệu đính qua vòng tròn Brick phản ánh chính xác các pha phân phối khí thực tế (mở sớm xupáp nạp $20^\circ$, đóng muộn $48^\circ$; mở sớm xupáp xả $48^\circ$, đóng muộn $20^\circ$) và góc phun sớm nhiên liệu $\varphi_i = 30^\circ$.

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc hệ thống hóa hoàn chỉnh quy trình tính toán nhiệt - động lực học - kiểm nghiệm bền cho một dòng động cơ Diesel 6 xilanh cụ thể (3D6), kết nối chặt chẽ giữa lý thuyết chu trình nhiệt và bài toán sức bền kết cấu thực tế của chi tiết máy động cơ đốt trong.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Quá trình tính toán chu trình nhiệt sử dụng mô hình nhiệt động một vùng kinh điển, chưa xét đến tính không đồng nhất của hòa khí trong buồng cháy thống nhất và quá trình tạo muội than cục bộ.
  • Phương pháp đồ giải động lực học và vẽ đồ thị phụ tải thực hiện chủ yếu bằng phương pháp dựng hình đồ họa giải tích truyền thống (đồ thị Brick, đồ thị Toolê, giấy bóng mờ), có sai số phụ thuộc vào tỉ lệ xích và độ chính xác của thao tác vẽ.
  • Bài toán kiểm nghiệm bền đầu to thanh truyền theo phương pháp Kinaxotsvili dựa trên các giả thiết đơn giản hóa (coi đầu to là dầm cong tiết diện không đổi, bỏ qua khe hở mối ghép mặt phân cách nắp biên, xem lực phân bố thuần túy dạng cosin).

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp:

  • Ứng dụng các phần mềm mô phỏng nhiệt động chuyên dụng (như AVL Boost, GT-Power) để mô phỏng chính xác quá trình cháy đa vùng, quét khí và phát thải ô nhiễm ($NO_x$, muội than) của động cơ 3D6.
  • Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) trên các phần mềm CAE (ANSYS, Abaqus, SolidWorks Simulation) để phân tích trường ứng suất - biến dạng không gian 3D, tính toán mỏi đa trục của thân và nắp thanh truyền dưới tải trọng nhiệt và cơ kết hợp.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô, Máy tàu thủy, Cơ khí Chế tạo máy khi thực hiện đồ án môn học Động cơ đốt trong hoặc đồ án tốt nghiệp tính toán thiết kế động cơ.
  • Giảng viên và kỹ sư cơ khí cần tài liệu hướng dẫn từng bước về phương pháp dựng đồ thị Brick, khai triển áp suất $P - \alpha$, tổng hợp mô men $T_\Sigma$ cho động cơ 6 xilanh có thứ tự nổ 1-5-3-6-2-4 và quy trình kiểm nghiệm bền thanh truyền bằng phương pháp Kinaxotsvili.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ 3D6 trong đồ án có các thông số kỹ thuật danh định chính nào?
Động cơ 3D6 là động cơ Diesel 4 kỳ, 6 xilanh thẳng hàng, không tăng áp, buồng cháy thống nhất; thứ tự làm việc 1-5-3-6-2-4; đường kính xilanh $D = 150\text{ mm}$; hành trình piston $S = 180\text{ mm}$; chiều dài thanh truyền $l_{tt} = 320\text{ mm}$; tỷ số nén $\varepsilon = 14,5$; công suất định mức $N_e = 170\text{ mã lực}$ ($112,5\text{ kW}$) tại số vòng quay định mức $n = 1700\text{ vòng/phút}$; suất tiêu hao nhiên liệu $g_e = 210\text{ g/ml.h}$.

2. Đường kính xilanh kiểm nghiệm trong đồ án được tính toán ra bao nhiêu và có đạt sai số cho phép không?
Đường kính xilanh tính toán lý thuyết từ thể tích công tác chu trình đạt $D = 150,0039\text{ mm}$. Sai số so với đường kính thiết kế ban đầu ($150\text{ mm}$) là $\Delta D = 0,0039\text{ mm}$. Giá trị này nhỏ hơn mức sai số cho phép tối đa ($0,1\text{ mm}$), do đó kết quả kiểm nghiệm hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật.

3. Phương pháp nào được sử dụng để hiệu đính đồ thị công lý thuyết thành đồ thị công chỉ thị?
Đồ án sử dụng phương pháp đồ thị vòng tròn Brick đặt phía trên đồ thị công với bán kính $R = 90\text{ mm}$ và tâm sai $OO' = \lambda R / 2 = 12,656\text{ mm}$. Từ các góc phân phối khí thực tế ($\alpha_1 = 20^\circ, \alpha_2 = 48^\circ, \beta_1 = 48^\circ, \beta_2 = 20^\circ$) và góc phun sớm ($\varphi_i = 30^\circ$), đồ thị công được hiệu đính tại các điểm bắt đầu nạp ($a$), điểm phun sớm ($c''$), điểm cuối nén thực tế ($c'$), điểm áp suất cháy cực đại thực tế ($p_{z\max}$ tại $372^\circ \div 375^\circ$) và các điểm xả thực tế ($b', b''$ với $p_{b''} = 0,18662\text{ MPa}$).

4. Kết quả xác định mô men tiếp tuyến trung bình $T_{tb}$ của động cơ 6 xilanh đạt mức sai số như thế nào?
Mô men tiếp tuyến trung bình xác định từ diện tích bao bởi đường tổng hợp $T_\Sigma$ trên đồ thị đạt $T_{tb} = 0,44\text{ MPa}$. Khi tính kiểm tra theo công suất định mức $N_e$, giá trị mô men cản trung bình là $0,42\text{ MPa}$. Độ sai lệch giữa hai phương pháp là $\Delta T = 0,44 - 0,42 = 0,02\text{ MPa}$ ($< 5%$), nằm trong giới hạn sai số cho phép của tính toán kỹ thuật.

5. Bản chất của phương pháp Kinaxotsvili áp dụng trong tính nghiệm bền đầu to thanh truyền là gì?
Phương pháp Kinaxotsvili coi nắp đầu to thanh truyền như một dầm cong tiết diện không đổi ngàm một đầu ở góc $\gamma_0 = 40^\circ$ (tiết diện $B - B$), chịu tải trọng phân bố của lực quán tính $P_d = 14565,8\text{ N}$ theo quy luật đường cosin. Bằng cách cắt bỏ một nửa đầu to tại tiết diện đỉnh $A - A$ và thay thế bằng mô men uốn $M_A$ cùng lực pháp tuyến $N_A$, phương pháp cho phép tính toán ứng suất tổng hợp $\sigma_\Sigma$ của nắp và bạc lót, đồng thời kiểm tra độ biến dạng đường kính $\delta$ để đảm bảo điều kiện làm việc của màng dầu bôi trơn.

Kết luận

Đồ án "Tính toán động cơ đốt trong" (Đề số 08) của sinh viên Trường Đại học Công nghệ Đông Á đã hoàn thành trọn vẹn các nội dung tính toán nhiệt động học, động học, động lực học và kiểm nghiệm bền kết cấu cho động cơ Diesel 3D6. Hệ thống số liệu tính toán đạt độ chính xác cao với các sai số kiểm nghiệm đường kính ($\Delta D = 0,0039\text{ mm}$) và sai số cân bằng mô men tiếp tuyến ($\Delta T < 5%$) đều nằm trong phạm vi kỹ thuật cho phép. Các đồ thị khai triển $P - \alpha$, $T - \alpha$, $Z - \alpha$ cùng đồ thị phụ tải chốt khuỷu cung cấp căn cứ vững chắc cho việc đánh giá trạng thái chịu lực của cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền và định vị hệ thống bôi trơn. Tài liệu có giá trị học thuật và thực tiễn rõ ràng, phục vụ tốt cho công tác giảng dạy, học tập và nghiên cứu chuyên ngành Kỹ thuật Ô tô và Động cơ đốt trong.