Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong xu hướng phát triển các dòng phương tiện sử dụng năng lượng mới, động cơ đốt trong vẫn giữ vai trò quan trọng khi được tích hợp vào các hệ thống xe lai sạc ngoài (Plug-in Hybrid - PHEV) hoặc xe điện có cơ chế mở rộng phạm vi hoạt động (Range Extender). Hiện nay, các cấu hình PHEV phổ biến thường sử dụng động cơ chu kỳ Atkinson để cải thiện khoảng 10% hiệu suất sử dụng nhiên liệu so với động cơ xăng truyền thống. Nhằm đạt hiệu quả năng lượng cao hơn, Cơ quan Hàng không Vũ trụ Đức (DLR) và Trung tâm Nghiên cứu & Phát triển của Toyota đã phát triển hệ thống máy nổ kết hợp máy phát điện mang tên "Động cơ piston tự do phát điện tuyến tính" (Free Piston Engine Linear Generator - FPEG).
Khác với cơ cấu tay quay - thanh truyền truyền thống, động cơ FPEG triệt tiêu hoàn toàn chuyển động quay của trục khuỷu, giúp loại bỏ lực ngang tác dụng lên thành xylanh, đồng thời chỉ chịu tác động dọc trục của hợp lực khí thể và lực quán tính. Tuy nhiên, việc cụm piston - xylanh phải làm việc liên tục trong môi trường nhiệt độ và áp suất cháy biến thiên chu kỳ lớn đặt ra yêu cầu nghiêm ngặt về phân bố ứng suất nhiệt, ứng suất cơ và tuổi thọ mỏi.
Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô của nhóm tác giả tập trung giải quyết các nhiệm vụ trọng tâm sau:
- Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng suất nhiệt trên cụm piston - xylanh động cơ đốt trong trong nước và quốc tế.
- Xây dựng cơ sở lý thuyết về quá trình truyền nhiệt và phương pháp tính toán ứng suất cơ nhiệt.
- Thiết kế mô hình 3D cụm piston - xylanh (dựa trên mẫu động cơ xăng 2 kỳ của máy cắt cỏ) bằng phần mềm CATIA.
- Thiết lập mô phỏng và kiểm tra ứng suất cơ - nhiệt của cụm chi tiết dưới các chế độ áp suất tải buồng đốt khác nhau (5 MPa đến 9 MPa) bằng phần mềm ANSYS.
- Phân tích phân bố nhiệt độ, thông lượng nhiệt, ứng suất tương đương và tổng biến dạng của chi tiết.
- Tính toán độ bền mỏi và dự báo thời gian làm việc của piston.
- Đề xuất các phương án cải tiến kết cấu (kích thước hình học bệ chốt, đường kính chốt piston) nhằm tối ưu hóa ứng suất và biến dạng.
- Khảo sát ảnh hưởng của các loại vật liệu chế tạo piston khác nhau để lựa chọn phương án tối ưu.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng: Cụm piston, nắp máy và ống lót xylanh của động cơ xăng 2 kỳ không tăng áp có thông số kích thước cơ bản: đường kính xylanh $D = 34\text{ mm}$, hành trình piston $S = 30\text{ mm}$, thể tích công tác $V_h = 24{,}85\text{ cm}^3$, thể tích buồng cháy $V_c = 3{,}55\text{ cm}^3$, tỷ số nén thực tế $\varepsilon = 8$.
- Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát chế độ làm việc định mức ở tốc độ $n = 2000\text{ vòng/phút}$, vận tốc xoáy lốc của môi chất $C_u = 1{,}5\text{ m/s}$, áp suất khí cháy cực đại $5\text{ MPa}$ đến $9\text{ MPa}$. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh từ ngày 15/03/2021 đến ngày 12/08/2021.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và mô hình toán học
- Cơ chế truyền nhiệt phức hợp: Quá trình trao đổi nhiệt giữa khí cháy trong buồng đốt và bề mặt piston - xylanh bao gồm: dẫn nhiệt trong cấu trúc kim loại (phương trình Fourier), đối lưu giữa môi chất công tác với đỉnh piston và thành xylanh theo định luật làm nguội Newton-Richman ($q = \alpha(t_W - t_f)$), và trao đổi nhiệt bức xạ từ màng khí cháy. Theo dữ liệu thực nghiệm được tham chiếu, lượng nhiệt bức xạ chiếm khoảng 3–5% tổng nhiệt lượng trao đổi và được tính quy đổi gộp vào hệ số tỏa nhiệt đối lưu tương đương.
- Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Mô hình hóa phân bố nhiệt độ và trạng thái ứng suất cơ nhiệt bằng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua các phương trình cân bằng nhiệt và đàn hồi tuyến tính.
- Tính toán chu trình nhiệt động học động cơ 2 kỳ: Thiết lập các thông số môi chất qua từng chu kỳ: nạp mới, nén đa biến với chỉ số $n_1$, cháy tỏa nhiệt đẳng tích, giãn nở đa biến với chỉ số $n_2$ và quá trình quét khí thải.
Phương pháp nghiên cứu và công cụ sử dụng
- Phương pháp tính toán lý thuyết: Sử dụng các công thức nhiệt động lực học động cơ đốt trong để xác định các thông số trạng thái ($p, T, V$) tại các điểm đặc trưng của chu trình công tác ($a, r, c, z, b$), tính toán tổn thất nhiệt, công chỉ thị và suất tiêu hao nhiên liệu.
- Phương pháp thiết kế mô hình CAD: Sử dụng phần mềm CATIA V5 (mô-đun Part Design và Generative Shape Design) để xây dựng mô hình hình học 3D chuẩn xác của piston, chốt piston, xéc măng, ống lót xylanh và cánh tản nhiệt.
- Phương pháp mô phỏng số (CAE/FEA): Sử dụng bộ phần mềm ANSYS Workbench (mô-đun Steady-State Thermal và Generative Structural Analysis / Static Structural). Mô hình được thiết lập truyền dữ liệu một chiều (1-way coupled thermal-stress analysis): trường nhiệt độ và thông lượng nhiệt tính từ mô-đun nhiệt được áp đặt làm tải trọng nhiệt kết hợp với áp suất khí cháy trên bề mặt đỉnh piston ở mô-đun kết cấu tĩnh.
- Mô phỏng đồ thị công: Sử dụng phần mềm MATLAB để lập trình và vẽ đồ thị chỉ thị $P-V$.
Thiết kế kỹ thuật và quy trình mô phỏng
Quy trình thiết kế hình học 3D trên CATIA
Quá trình tạo hình cụm piston - xylanh được thực hiện qua các bước tham số hóa chi tiết:
- Piston: Thiết kế phác thảo 2D biên dạng đỉnh, thân, rãnh xéc măng và bệ chốt piston; sử dụng lệnh xoay tròn (Shaft) kết hợp đùn cắt (Pocket), tạo lỗ chốt rỗng và vát mép (Fillet).
- Nắp máy và Xylanh: Xây dựng khối đáy buồng cháy và ống lót xylanh bằng lệnh Pad và Multi-Pad; thiết lập mặt phẳng tạo các cửa nạp/xả; tạo 2 lỗ gá với đường kính $4{,}2\text{ mm}$, sâu $6\text{ mm}$ bằng lệnh Hole; tạo hệ thống cánh tản nhiệt trên thân và nắp xylanh bằng cách sử dụng các mặt trượt (Offset Surface), tăng độ dày cánh $1\text{ mm}$ đến $1{,}5\text{ mm}$ bằng lệnh Thick Surface, nhân bản mảng cánh bằng lệnh Rectangular Pattern và cắt gọt phần thừa bằng lệnh Union Trim; thiết kế lỗ ren định vị bugi đánh lửa.
Thiết lập điều kiện biên trong ANSYS
- Điều kiện biên hình học: Giả thiết mô hình có tính đối xứng tròn xoay qua tâm dọc trục.
- Điều kiện biên vật lý: Gán cơ tính vật liệu ban đầu (Thép nguyên chất: hệ số dẫn nhiệt $0{,}0605\text{ W/mm}\cdot\text{K}$, mô-đun đàn hồi $2{,}05 \times 10^5\text{ MPa}$, hệ số giãn nở nhiệt $11 \times 10^{-6}\text{ K}^{-1}$, hệ số Poisson $0{,}3$, giới hạn chảy $250\text{ MPa}$, giới hạn bền kéo $460\text{ MPa}$).
- Điều kiện biên nhiệt và áp suất: Áp đặt nhiệt độ khí cháy $T_z = 2470{,}78\text{ K}$, nhiệt độ môi trường khí nạp $T_0 = 300\text{ K}$, hệ số truyền nhiệt đối lưu $\alpha$ tính toán theo quy luật vận tốc piston và xoáy lốc môi chất ($C_u = 1{,}5\text{ m/s}$); áp suất bề mặt đỉnh piston khảo sát từ $5\text{ MPa}$ đến $9\text{ MPa}$.
- Điều kiện tiếp xúc: Tiếp xúc bề mặt giữa piston và ống lót xylanh, giữa chốt và bệ chốt piston thông qua điều kiện biên tiếp xúc loại 3 và loại 4, mô phỏng lớp màng dầu bôi trơn lý tưởng.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về đề tài
Trình bày lịch sử phát triển của động cơ piston tự do từ bằng sáng chế năm 1959 tại Đức đến các cấu hình FPEG hiện đại của DLR và Toyota. Phân tích nguyên lý hoạt động không dùng trục khuỷu, làm rõ trạng thái lực học thuần túy dọc trục của piston, xác định mục tiêu tối ưu hóa kết cấu nhằm giảm khối lượng tịnh tiến và kiểm soát ứng suất nhiệt.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết của bài toán xác định ứng suất nhiệt và các phương pháp tính
Hệ thống hóa lý thuyết truyền nhiệt ba phương thức (dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ), phương trình vi phân truyền nhiệt tổng quát và các điều kiện biên loại 1, 2, 3, 4. Trình bày nền tảng lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn giải bài toán nhiệt - cơ ghép và cơ sở lựa chọn phần mềm CATIA, ANSYS.
Chương 3: Tính toán, xây dựng mô hình, thiết lập các bước mô phỏng
Trình bày chi tiết chu trình tính toán nhiệt động học động cơ 2 kỳ:
- Áp suất khí nạp $p_0 = 0{,}1\text{ MPa}$, nhiệt độ khí nạp $T_0 = 300\text{ K}$ ($27^\circ\text{C}$).
- Áp suất cuối nạp $p_a = 0{,}08\text{ MPa}$, nhiệt độ cuối nạp $T_a = 349{,}05\text{ K}$.
- Hệ số nạp $\eta_v = 0{,}786$, hệ số khí sót $\gamma_r = 0{,}112$, nhiệt độ khí sót $T_r = 900\text{ K}$.
- Quá trình nén đa biến với chỉ số $n_1 = 1{,}374$.
- Quá trình cháy: nhiệt trị thấp của xăng $Q_H = 43960\text{ kJ/kg}$, tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn $\Delta Q_H = 9288\text{ kJ/kg}$, nhiệt độ cháy cực đại $T_z = 2470{,}78\text{ K}$.
- Quá trình giãn nở với chỉ số $n_2 = 1{,}2$, nhiệt độ cuối dãn nở $T_b = 1651{,}28\text{ K}$, sai số kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót đạt $1{,}79%$.
- Thể tích công tác $V_h = 24{,}85\text{ cm}^3$, thể tích buồng cháy $V_c = 3{,}55\text{ cm}^3$, tổng thể tích $V_a = 28{,}4\text{ cm}^3$, suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị $g_e = 347{,}32\text{ g/kWh}$.
- Thiết lập quy trình tiền xử lý, chia lưới và đặt tải trọng trong ANSYS Workbench.
Chương 4: Phân tích kết quả và cải tiến kết cấu của piston
- Trình bày kết quả phân tích ứng suất và biến dạng của ống lót xylanh ở 5 mức áp suất buồng đốt ($5\text{ MPa}$ đến $9\text{ MPa}$).
- Tính toán phá hủy mỏi: với mức ứng suất dưới $200\text{ MPa}$, tuổi thọ mỏi của piston đạt xấp xỉ $1333\text{ giờ}$ làm việc liên tục ở tốc độ $2000\text{ vòng/phút}$ (tương đương 55 ngày làm việc liên tục).
- Phân tích và cải tiến kết cấu chốt piston qua 3 phương án: tăng độ dày thành chốt, tăng đường kính chốt và phương án kết hợp.
- Phân tích, so sánh ứng suất cơ nhiệt và tổng biến dạng của 6 loại vật liệu chế tạo piston (Thép nguyên chất, Hợp kim nhôm A4032, Kẽm, Thép không gỉ, Gang, Titanium) ở áp suất tải $5\text{ MPa}$.
Chương 5: Kết luận, kiến nghị
Tổng kết các kết quả đạt được về giải pháp giảm ứng suất, khẳng định tính khả thi của phương án kết cấu cải tiến và định hướng phát triển nghiên cứu thực nghiệm.
Kết quả và đóng góp
1. Phân tích ứng suất và biến dạng ống lót xylanh theo tải trọng
Kết quả mô phỏng cho thấy ứng suất và biến dạng lớn nhất của ống lót xylanh tăng tuyến tính theo áp suất buồng đốt, tập trung chủ yếu ở khu vực vách mỏng giữa cửa nạp và cửa thải:
| Áp suất buồng đốt (MPa) |
Biến dạng lớn nhất (mm) |
Ứng suất lớn nhất (MPa) |
| 5 |
0,096794 |
485,09 |
| 6 |
0,116150 |
582,10 |
| 7 |
0,135510 |
679,12 |
| 8 |
0,154870 |
776,14 |
| 9 |
0,174230 |
873,15 |
2. So sánh các phương án cải tiến kết cấu chốt piston
Ở kết cấu ban đầu (đường kính chốt $8\text{ mm}$, độ dày thành chốt $2\text{ mm}$), ứng suất nhiệt lớn nhất trên piston đạt $516{,}08\text{ MPa}$, tổng biến dạng là $0{,}036999\text{ mm}$, vượt quá giới hạn chảy của thép nguyên chất ($250\text{ MPa}$).
Nhóm tác giả đã tiến hành khảo sát và đánh giá các phương án tối ưu hình học:
| Phương án cải tiến |
Kích thước khảo sát |
Ứng suất lớn nhất (MPa) |
Mức giảm ứng suất (%) |
Tổng biến dạng (mm) |
Mức giảm biến dạng (%) |
| Mô hình ban đầu |
ĐK $8\text{ mm}$, dày $2\text{ mm}$ |
516,08 |
— |
0,036999 |
— |
| Tăng độ dày thành chốt |
Dày tăng lên $2{,}5\text{ mm}$ |
297,12 |
42,43% |
0,030078 |
18,69% |
|
Dày tăng lên $3{,}0\text{ mm}$ |
233,92 |
54,67% |
0,026319 |
28,85% |
| Tăng đường kính ngoài chốt |
ĐK tăng lên $9\text{ mm}$ |
510,07 |
1,16% |
0,035579 |
3,84% |
|
ĐK tăng lên $9{,}8\text{ mm}$ |
440,68 |
14,61% |
0,034065 |
7,90% |
| Phương án kết hợp |
ĐK $9\text{ mm}$ + dày $2{,}5\text{ mm}$ |
359,10 |
30,42% |
0,030071 |
18,72% |
| (Tối ưu nhất) |
ĐK $9{,}8\text{ mm}$ + dày $3{,}0\text{ mm}$ |
190,48 |
63,09% |
0,027535 |
25,57% |
Phương án tối ưu (tăng đường kính chốt lên $9{,}8\text{ mm}$ kết hợp độ dày thành $3\text{ mm}$) giúp ứng suất hạ xuống $190{,}48\text{ MPa}$, thỏa mãn điều kiện bền thiết kế với hệ số an toàn $n = 1{,}05$ (ngưỡng cho phép: $250 / 1{,}05 = 238\text{ MPa}$).
3. Đánh giá lựa chọn vật liệu sản xuất piston
Khảo sát 6 loại vật liệu ở cùng điều kiện tải trọng áp suất $5\text{ MPa}$:
| Loại vật liệu |
Ứng suất cơ nhiệt (MPa) |
Tổng biến dạng (mm) |
| Titanium |
210,00 |
0,052618 |
| Hợp kim nhôm (A4032) |
211,57 |
0,074510 |
| Thép nguyên chất |
213,07 |
0,027516 |
| Kẽm |
214,54 |
0,066984 |
| Thép không gỉ |
215,49 |
0,028695 |
| Gang |
442,38 |
0,036334 |
Kết quả chỉ ra rằng Hợp kim nhôm (A4032) và Titanium là hai vật liệu phù hợp nhất cho động cơ FPEG tốc độ cao, nhờ ứng suất cơ nhiệt thấp, độ bền nhiệt cao và khối lượng riêng nhỏ giúp giảm thiểu lực quán tính chuyển động tịnh tiến.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Các mô phỏng nhiệt và ứng suất được thực hiện ở trạng thái truyền nhiệt dừng (Steady-State) và chế độ tải tĩnh tựa tĩnh, chưa phản ánh đầy đủ dao động nhiệt quá độ (Transient Thermal) theo từng micro giây của chu trình cháy; các đặc tính vật liệu được giả định đẳng hướng và đồng nhất; quá trình bôi trơn tiếp xúc giữa piston và xylanh được đơn giản hóa thành điều kiện tỏa nhiệt tương đương.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Mở rộng phân tích ứng suất động lực học phi tuyến và trạng thái nhiệt quá độ (Transient) theo góc quay danh nghĩa hoặc vị trí hành trình piston.
- Tối ưu hóa đa mục tiêu biên dạng váy piston và khe hở lắp ghép xéc măng.
- Chế tạo mẫu thử nghiệm thực tế bằng hợp kim nhôm A4032/Titanium để đo đạc biến dạng và nhiệt độ thực nghiệm trên băng thử FPEG.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho:
- Sinh viên, học viên cao học và giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực và Kỹ thuật Nhiệt.
- Các kỹ sư thiết kế động cơ đốt trong đang nghiên cứu cấu hình động cơ piston tự do (FPEG) dùng cho trạm phát điện hoặc hệ thống truyền động xe hybrid.
- Cung cấp quy trình tích hợp giữa tính toán nhiệt động lý thuyết, thiết kế 3D tham số hóa trên CATIA và quy trình mô phỏng cơ - nhiệt ghép trên ANSYS Workbench.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao động cơ piston tự do (FPEG) lại có sự khác biệt về trạng thái chịu lực của piston so với động cơ truyền thống?
Trong động cơ truyền thống sử dụng cơ cấu tay quay - thanh truyền, góc nghiêng của thanh truyền tạo ra lực ngang $N$ ép thân piston vào thành xylanh. Ở động cơ FPEG, do không có trục khuỷu và thanh truyền, piston chuyển động tịnh tiến tự do nên lực ngang bị triệt tiêu ($N = 0$), piston chỉ chịu tác dụng dọc trục của hợp lực khí thể và lực quán tính.
2. Phương án cải tiến hình học nào mang lại hiệu quả giảm ứng suất cao nhất cho piston trong nghiên cứu?
Phương án kết hợp tăng đường kính ngoài của chốt piston từ $8\text{ mm}$ lên $9{,}8\text{ mm}$ đồng thời tăng độ dày thành chốt từ $2\text{ mm}$ lên $3\text{ mm}$ mang lại hiệu quả cao nhất. Phương án này giảm ứng suất nhiệt cực đại từ $516{,}08\text{ MPa}$ xuống $190{,}48\text{ MPa}$ (giảm $63{,}09%$) và giảm tổng biến dạng từ $0{,}036999\text{ mm}$ xuống $0{,}027535\text{ mm}$ (giảm $25{,}57%$), đáp ứng tiêu chuẩn bền với hệ số an toàn $1{,}05$.
3. Tại sao không nên tăng đường kính ngoài của chốt piston vượt quá 10 mm?
Việc tăng đường kính chốt vượt quá $10\text{ mm}$ sẽ làm giảm chiều dày thành kim loại ở hai bên mép vát và lỗ chốt của piston, gây tập trung ứng suất cục bộ nội lực trong quá trình làm việc, khiến khu vực này dễ bị nứt vỡ khi chịu tải cao và làm thay đổi kết cấu hình học chung của piston.
4. Kết quả tính toán nhiệt động chu trình công tác của động cơ đạt các thông số chính nào?
Quá trình tính toán chu trình công tác động cơ xăng 2 kỳ cho thấy: áp suất nạp $p_0 = 0{,}1\text{ MPa}$, nhiệt độ nạp $T_0 = 300\text{ K}$, nhiệt độ cháy cực đại $T_z = 2470{,}78\text{ K}$, nhiệt độ cuối giãn nở $T_b = 1651{,}28\text{ K}$, chỉ số nén đa biến $n_1 = 1{,}374$, chỉ số giãn nở đa biến $n_2 = 1{,}2$, hệ số nạp $\eta_v = 0{,}786$, và suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị $g_e = 347{,}32\text{ g/kWh}$.
5. Dựa trên tiêu chí nào nhóm nghiên cứu lựa chọn hợp kim nhôm A4032 và Titanium làm vật liệu tối ưu?
Hợp kim nhôm A4032 và Titanium cho mức ứng suất cơ nhiệt mô phỏng thấp nhất trong 6 loại vật liệu ($211{,}57\text{ MPa}$ và $210{,}00\text{ MPa}$), có độ bền nóng cao, khả năng chống mài mòn tốt và đặc biệt có khối lượng riêng nhỏ, giúp giảm thiểu lực quán tính chuyển động tịnh tiến trong động cơ FPEG hoạt động ở tần số cao.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp đã giải quyết trọn vẹn bài toán tính toán nhiệt động lực học, mô phỏng trường nhiệt và ứng suất cơ nhiệt cho cụm piston - xylanh của động cơ không trục khuỷu (FPEG). Thông qua việc kết hợp công cụ CATIA và ANSYS Workbench, nghiên cứu đã chứng minh phương án cải tiến đồng thời đường kính chốt ($9{,}8\text{ mm}$) và độ dày bệ chốt ($3\text{ mm}$) giúp giảm $63{,}09%$ ứng suất cực đại, đưa chi tiết về ngưỡng làm việc an toàn ($190{,}48\text{ MPa}$). Đồng thời, kết quả khảo sát vật liệu khẳng định hợp kim nhôm A4032 và Titanium là giải pháp vật liệu tối ưu đáp ứng yêu cầu giảm tải trọng quán tính và tăng độ bền cho động cơ thế hệ mới.
