Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án học phần "Đồ án Động cơ đốt trong" do sinh viên Trường Đại học Công nghệ Đông Á thực hiện (Bắc Ninh, năm 2025) tập trung vào việc tính toán, thiết kế và đánh giá động học, động lực học của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền. Trong kết cấu động cơ đốt trong nói chung và động cơ diesel nói riêng, cơ cấu khuỷu trục thanh truyền là cụm chi tiết máy chính, giữ vai trò tiếp nhận áp lực của môi chất cháy để biến đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu, từ đó truyền mô-men hữu ích dẫn động các máy công tác bên ngoài. Do làm việc trong điều kiện khắc nghiệt với áp suất, nhiệt độ cao và chịu tác động của các tải trọng thay đổi có tính chu kỳ, việc phân tích điều kiện làm việc, lựa chọn phương án kết cấu và thực hiện các bước tính toán nhiệt, động học, động lực học là yêu cầu kỹ thuật then chốt để xác lập kích thước, kiểm tra trạng thái chịu tải của hệ thống.

Mục tiêu của đồ án là thiết lập chu trình công tác nhiệt động của động cơ, xây dựng đồ thị công chỉ thị, xác định quy luật chuyển động của piston và phân tích hệ lực tác dụng lên các chi tiết của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền, từ đó làm cơ sở cho việc thiết kế kỹ thuật và tính toán kiểm nghiệm bền. Theo văn bản giao nhiệm vụ đồ án, nội dung thuyết minh được phân công thực hiện bao gồm 7 nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Chương I: Phân tích điều kiện làm việc, nhiệm vụ và yêu cầu của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền.
  2. Chương II: Chọn phương án thiết kế.
  3. Chương III: Tính toán nhiệt động cơ đốt trong.
  4. Chương IV: Tính toán động học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền.
  5. Chương V: Tính toán động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền.
  6. Chương VI: Thiết kế kỹ thuật và tính bền các nhóm và chi tiết của hệ thống.
  7. Chương VII: Quy trình tháo, lắp, điều chỉnh, bảo dưỡng và sửa chữa cơ cấu khuỷu trục thanh truyền.

Đối tượng nghiên cứu là cụm cơ cấu khuỷu trục thanh truyền (gồm nhóm piston, chốt piston, xéc-măng, nhóm thanh truyền, trục khuỷu và bánh đà) trang bị cho động cơ diesel 4 kỳ, làm mát bằng nước. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian và thông số kỹ thuật được xác lập dựa trên các thông số ban đầu của đề tài và mẫu động cơ tham khảo Kubota Cummins ISB 4.5L. Các thông số ban đầu được giao trong nhiệm vụ thiết kế gồm: kiểu động cơ diesel 4 xy-lanh, đường kính xy-lanh $D \times S = 108 \times 98\text{ mm}$, công suất và số vòng quay định mức $N_e / n_M = 56\text{ kW} / 2400\text{ v/ph}$, tỷ số nén $\varepsilon = 21,5$, hệ thống làm mát bằng nước. Trong quá trình tính toán nhiệt ở các chương sau, văn bản khảo sát cụ thể chế độ làm việc với các thông số kết cấu và vận hành gồm $D \times S = 110 \times 102\text{ mm}$, tốc độ cực đại $n_{\max} = 3300\text{ v/ph}$ và công suất $N_e = 30\text{ kW}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý nhiệt động lực học kỹ thuật, nhiệt động hóa học, lý thuyết động cơ đốt trong và cơ học máy ứng dụng trong phân tích động học, động lực học cơ cấu chuyển động:

  • Khung lý thuyết chu trình công tác nhiệt động: Quá trình tính toán nhiệt dựa trên lý thuyết chu trình công tác thực tế của động cơ diesel 4 kỳ (gồm 4 quá trình: nạp, nén, cháy và giãn nở). Phương pháp tính toán xác lập các thông số trạng thái (áp suất $p$, nhiệt độ $T$, thể tích $V$) tại các điểm đặc trưng của chu trình: cuối quá trình nạp ($p_a, T_a$), cuối quá trình nén ($p_c, T_c$), cuối quá trình cháy ($p_z, T_z$) và cuối quá trình giãn nở ($p_b, T_b$), kết hợp kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót $T_r$.
  • Lý thuyết động học và phương pháp đồ thị Brick: Quy luật chuyển động của piston và thanh truyền được xây dựng dựa trên giả thiết trục khuỷu quay với vận tốc góc không đổi ($\omega = \text{const}$). Chuyển vị, vận tốc và gia tốc của piston được tính toán bằng phương pháp giải tích thông qua khai triển chuỗi nhị thức Newton (giữ lại các hàm điều hòa bậc I và bậc II). Giản đồ công chỉ thị $P-V$ và đồ thị triển khai áp suất khí thể theo góc quay trục khuỷu $P_{kt} = f(\alpha)$ được xây dựng bằng phương pháp đồ thị vòng tròn Brick với thông số kết cấu $\lambda = R/l = 0,362$ và độ dời tâm $OO' = 6,54\text{ mm}$.
  • Phương pháp phân tích động lực học và quy dẫn khối lượng: Tải trọng tác dụng lên cơ cấu được khảo sát dưới dạng hợp lực của lực khí thể $P_{kt}$ và lực quán tính $P_j$. Để tính lực quán tính, khối lượng chuyển động phức tạp của thanh truyền được quy đổi từ hệ tương đương 3 khối lượng sang hệ 2 khối lượng tập trung tại tâm đầu nhỏ ($m_A$) và tâm đầu to ($m_B$). Khối lượng má khuỷu của trục khuỷu được quy dẫn về tâm chốt khuỷu ($m_{mr}$). Hệ lực tác dụng được phân tích thành lực dọc thanh truyền ($P_{tt}$), lực ngang ép vào vách xy-lanh ($N$), lực tiếp tuyến tạo mô-men ($T$), lực pháp tuyến gây uốn trục ($Z$) và hợp lực tác dụng lên chốt khuỷu ($Q_{ch}$).
  • Nguồn dữ liệu: Số liệu đề bài giao nhiệm vụ đồ án, thông số thực tế của dòng động cơ tham khảo Cummins ISB 4.5L, các hằng số nhiệt động và công thức tính toán tiêu chuẩn trong giáo trình lý thuyết động cơ đốt trong.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG I: PHÂN TÍCH ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC, NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG KHUỶU TRỤC THANH TRUYỀN

Chương này trình bày chi tiết chức năng, môi trường vận hành, yêu cầu kỹ thuật và phân loại của từng chi tiết thuộc cơ cấu:

  • Nhiệm vụ chung: Tiếp nhận áp lực khí cháy, biến đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu; đảm bảo bao kín buồng cháy, ngăn không cho khí lọt xuống các-te và ngăn dầu bôi trơn sục lên buồng cháy; thực hiện quá trình hút môi chất mới và thải khí cháy.
  • Piston: Chịu tải trọng cơ học lớn có tính chu kỳ với áp suất đạt tới $120\text{ kG/cm}^2$, tải trọng nhiệt từ $500 - 800^\circ\text{K}$, lực ma sát do lực ngang $N$ và ăn mòn hóa học bởi sản vật cháy. Phân loại đỉnh piston gồm đỉnh bằng, đỉnh lõm và đỉnh chứa buồng cháy.
  • Chốt piston: Nhiệm vụ truyền lực khí thể từ piston xuống thanh truyền; chịu tải va đập tuần hoàn, nhiệt độ cao, ma sát nửa ướt. Cấu tạo thường rỗng, lắp tự do hoặc cố định với bệ chốt/đầu nhỏ thanh truyền.
  • Xéc-măng: Chia làm xéc-măng khí (bao kín buồng cháy, chịu nhiệt trực tiếp, chịu lực khí thể và mài mòn) và xéc-măng dầu (gạt và ngăn dầu bôi trơn sục lên buồng cháy).
  • Nhóm thanh truyền: Thực hiện chuyển động phức tạp (đầu nhỏ tịnh tiến, thân lắc, đầu to quay), chịu lực va đập tuần hoàn. Thân thanh truyền thường có tiết diện chữ I (chịu bền đều theo hai phương) hoặc tiết diện chữ nhật, ô van (dùng cho xe nhỏ).
  • Trục khuỷu: Nhận lực từ thanh truyền tạo mô-men quay dẫn động máy công tác và nhận động năng từ bánh đà để thực hiện các hành trình không sinh công. Trục khuỷu chịu lực tiếp tuyến $T$, pháp tuyến $Z$ và lực quán tính ly tâm, gây uốn, xoắn, dao động xoắn và dao động ngang. Phân loại gồm trục khuỷu nguyên và trục khuỷu ghép.
  • Bánh đà: Giữ cho độ không đồng đều của động cơ nằm trong giới hạn cho phép thông qua việc tích trữ năng lượng dư ở kỳ sinh công và giải phóng năng lượng bù đắp ở các kỳ tiêu hao công; là nơi lắp vành răng khởi động và vạch chia độ. Phân loại gồm bánh đà dạng đĩa, dạng vành, dạng chậu và dạng vành có nan hoa.

CHƯƠNG II: CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Chương II xác định phương án kết cấu cụ thể cho động cơ thiết kế:

  • Piston: Chọn loại piston có đỉnh lõm chứa buồng cháy, đáp ứng yêu cầu tạo lốc xoáy cho không khí trong quá trình nén và định hướng chùm tia phun nhiên liệu đối với động cơ diesel; tham khảo cấu trúc 4 van (2 nạp, 2 xả) của động cơ Kubota Cummins ISB 4.5L để tối ưu hóa hiệu suất nạp.
  • Chốt piston: Chọn chốt có bề mặt bên trong hình trụ rỗng nhằm đơn giản hóa công nghệ gia công chế tạo.
  • Nhóm thanh truyền: Đầu nhỏ thanh truyền có dạng hình trụ rỗng, có khoan lỗ hứng dầu bôi trơn để lắp chốt piston tự do; thân thanh truyền chọn tiết diện chữ I nhằm đảm bảo độ cứng vững và độ bền theo cả hai phương; đầu to thanh truyền chọn kết cấu cắt phẳng, liên kết bằng 2 bu-lông.
  • Trục khuỷu: Chọn kết cấu trục khuỷu nguyên do tính phổ biến và độ cứng vững cao trên động cơ diesel 4 xy-lanh.
  • Nguyên lý hoạt động: Động cơ 4 kỳ hoạt động theo thứ tự làm việc của các xy-lanh là 1 - 3 - 4 - 2, tương ứng với các góc quay trục khuỷu từ $0^\circ$ đến $720^\circ$, lần lượt thực hiện các quá trình nạp (từ ĐCT xuống ĐCD), nén (từ ĐCD lên ĐCT), sinh công (từ ĐCT xuống ĐCD) và thải (từ ĐCD lên ĐCT).

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Nội dung chương tập trung xác định các thông số trạng thái của môi chất công tác và các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của động cơ:

  • Thông số chọn ban đầu: Áp suất khí quyển $p_o = 0,1013\text{ MN/m}^2$; nhiệt độ môi trường $T_o = 302^\circ\text{K}$ ($t_{kk} = 29^\circ\text{C}$); áp suất nạp trước xupáp $p_k = 0,1013\text{ MN/m}^2$, $T_k = 302^\circ\text{K}$; áp suất cuối quá trình nạp $p_a = 0,086105\text{ MN/m}^2$; áp suất khí sót $p_r = 0,12\text{ MN/m}^2$; nhiệt độ khí sót giả định ban đầu $T_r = 700^\circ\text{K}$; độ tăng nhiệt độ khí nạp $\Delta T = 20^\circ\text{C}$; hệ số dư lượng không khí $\alpha = 1,5$; hệ số điền đầy đồ thị công $\varphi_d = 0,94$; hệ số lợi dụng nhiệt $\xi_z = 0,85$, $\xi_b = 0,85$.
  • Quá trình nén và cháy: Chỉ số nén đa biến trung bình tính được qua giải phương trình lặp là $n_1 = 1,3636$; áp suất cuối nén $p_c = 5,65\text{ MN/m}^2$; nhiệt độ cuối nén $T_c = 1016,06^\circ\text{K}$. Quá trình cháy xác định lượng không khí lý thuyết $M_0 = 0,512\text{ kmol/kg nl}$; áp suất cực đại $p_z = 15,368\text{ MN/m}^2$; nhiệt độ cực đại $T_z = 2643^\circ\text{K}$.
  • Quá trình giãn nở và tính năng chu trình: Chỉ số giãn nở đa biến $n_2 = 1,42$; áp suất cuối giãn nở $p_b = 0,19\text{ MN/m}^2$; nhiệt độ cuối giãn nở $T_b = 728,57^\circ\text{K}$; nhiệt độ khí sót tính toán lại đạt $T_r = 625^\circ\text{K}$ (sai số nằm trong phạm vi cho phép).
  • Chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật: Áp suất chỉ thị trung bình $p_i = 0,736\text{ MN/m}^2$; áp suất tổn thất cơ khí $p_m = 0,2151\text{ MN/m}^2$; áp suất có ích trung bình $p_e = 0,5209\text{ MN/m}^2$; hiệu suất cơ giới $\eta_m = 70%$; hiệu suất chỉ thị $\eta_i = 39,52%$; hiệu suất có ích $\eta_e = 27,97%$; suất tiêu hao nhiên liệu có ích $g_e = 292,78\text{ g/kW.h}$.
  • Dựng đồ thị công chỉ thị: Căn cứ các thông số $p_c, p_z, p_b, p_a, p_r$, sử dụng vòng tròn Brick với hành trình piston $S = 98\text{ mm}$, hệ số kết cấu $\lambda = 0,362$, độ dời $OO' = 6,54\text{ mm}$ (trên đồ thị ứng với tỷ lệ xích là $13,08\text{ mm}$) và các góc phân phối khí (xupáp nạp mở sớm $\varphi_1 = 15^\circ$, đóng muộn $\varphi_2 = 55^\circ$; xupáp thải mở sớm $\varphi_3 = 60^\circ$, đóng muộn $\varphi_4 = 25^\circ$; góc phun sớm $\varphi_s = 20^\circ$) để vẽ đường cong chỉ thị $P-V$.
Ký hiệu Thông số kỹ thuật Giá trị Đơn vị
$n_e$ Tốc độ vòng quay trục khuỷu 3300 v/ph
$N_e$ Công suất có ích 30 kW
$\varepsilon$ Tỷ số nén 21,5 -
$D$ Đường kính xy-lanh 110 mm
$S$ Hành trình piston 102 mm
$p_a$ Áp suất cuối quá trình nạp 0,086105 $\text{MN/m}^2$
$T_a$ Nhiệt độ cuối quá trình nạp 333 $^\circ\text{K}$
$n_1$ Chỉ số nén đa biến trung bình 1,3636 -
$p_c$ Áp suất cuối quá trình nén 5,65 $\text{MN/m}^2$
$T_c$ Nhiệt độ cuối quá trình nén 1016,06 $^\circ\text{K}$
$p_z$ Áp suất cuối quá trình cháy 15,368 $\text{MN/m}^2$
$T_z$ Nhiệt độ cuối quá trình cháy 2643 $^\circ\text{K}$
$n_2$ Chỉ số giãn nở đa biến 1,42 -
$p_b$ Áp suất cuối quá trình giãn nở 0,19 $\text{MN/m}^2$
$T_b$ Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở 728,57 $^\circ\text{K}$
$p_i$ Áp suất chỉ thị trung bình 0,736 $\text{MN/m}^2$
$p_m$ Áp suất tổn thất cơ khí 0,2151 $\text{MN/m}^2$
$p_e$ Áp suất có ích trung bình 0,5209 $\text{MN/m}^2$
$\eta_m$ Hiệu suất cơ giới 70 %
$\eta_i$ Hiệu suất chỉ thị 39,52 %
$\eta_e$ Hiệu suất có ích 27,97 %
$g_i$ Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị 207,21 $\text{g/kW.h}$
$g_e$ Suất tiêu hao nhiên liệu có ích 292,78 $\text{g/kW.h}$

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU – THANH TRUYỀN

Chương này xây dựng phương trình chuyển động của cụm piston - thanh truyền theo phương pháp giải tích:

  • Chuyển vị piston ($S_p$): Được tính theo biểu thức: $$S_p = R \left[ (1 - \cos\alpha) + \frac{\lambda}{4} (1 - \cos 2\alpha) \right]$$ Chuyển vị gồm hai thành phần điều hòa cấp I ($S_{pI}$) và cấp II ($S_{pII}$). Tại điểm chết trên ($\alpha = 0^\circ$), $S_p = 0$.
  • Vận tốc piston ($V_p$): Là đạo hàm bậc nhất của chuyển vị theo thời gian: $$V_p = \frac{d S_p}{dt} = R\omega \left( \sin\alpha + \frac{\lambda}{2} \sin 2\alpha \right)$$ Vận tốc bằng 0 tại các điểm chết ($\alpha = 0^\circ, 180^\circ, 360^\circ$) và đạt cực đại ở khu vực giữa hành trình.
  • Gia tốc piston ($J_p$): Là đạo hàm bậc nhất của vận tốc theo thời gian: $$J_p = \frac{d V_p}{dt} = R\omega^2 (\cos\alpha + \lambda \cos 2\alpha)$$ Gia tốc đạt giá trị lớn nhất tại điểm chết trên ($\alpha = 0^\circ$) với biểu thức $J_{p\max} = R\omega^2(1 + \lambda)$ và cực tiểu tại điểm chết dưới. Các giá trị chuyển vị, vận tốc, gia tốc được tính toán và lập bảng biểu thiên (Bảng D, E, F) để vẽ các đồ thị $S_p = f(\alpha)$, $V_p = f(\alpha)$, $J_p = f(\alpha)$.

CHƯƠNG V: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU - THANH TRUYỀN

Chương V thực hiện phân tích và tổng hợp toàn bộ hệ lực tác động lên các chi tiết máy:

  • Lực khí thể ($P_{kt}$): Xác định theo công thức $P_{kt} = (p_{kt} - p_o) F_p$, biến thiên theo góc quay $\alpha$ và được khai triển từ đồ thị công chỉ thị bằng phương pháp đồ thị Brick kết hợp giải tích cho 4 quá trình.
  • Lực quán tính ($P_j$ và $P_K$): Lực quán tính tịnh tiến $P_j = -m_j R\omega^2 (\cos\alpha + \lambda \cos 2\alpha)$, mang dấu âm khi piston ở ĐCT (hướng ly tâm) và mang dấu dương khi ở ĐCD (hướng vào tâm trục). Lực quán tính ly tâm của khối lượng quay $P_K = -m_r R\omega^2 = -10434,84\text{ N} = -10,4\text{ kN}$ (tính với bán kính quay và khối lượng quy dẫn, trong đó khối lượng quy dẫn của trục khuỷu chọn $m_K' = 17\text{ g/cm}^2$).
  • Lực tổng cộng ($P_\Sigma$): Tác dụng lên đỉnh piston $P_\Sigma = P_{kt} + P_j$. Văn bản chỉ rõ tại cuối quá trình nén và đầu quá trình cháy giãn nở, lực tổng cộng bị giảm nhiều nếu tăng $P_j$, do đó lực quán tính có ảnh hưởng trực tiếp đến công suất động cơ.
  • Hệ lực phân tích:
    • Lực tác dụng dọc theo thanh truyền: $P_{tt} = \frac{P_\Sigma}{\cos\beta}$.
    • Lực ngang ép piston vào vách xy-lanh: $N = P_\Sigma \text{tg}\beta$.
    • Lực tiếp tuyến tác dụng lên chốt khuỷu: $T = P_\Sigma \frac{\sin(\alpha+\beta)}{\cos\beta}$.
    • Lực pháp tuyến nén/kéo cổ trục: $Z = P_\Sigma \frac{\cos(\alpha+\beta)}{\cos\beta}$.
    • Mô-men quay của một xy-lanh: $M_q = T \cdot R$. Mô-men này cân bằng với mô-men cản $M_c$ và mô-men quán tính $J_o \frac{d\omega}{dt}$. Mô-men lật ngang động cơ tác dụng lên thân máy được xác định bởi $M_L = -T \cdot R$.
  • Hợp lực tác dụng lên chốt khuỷu ($Q_{ch}$): Là tổng véc-tơ $\vec{Q}{ch} = \vec{T} + \vec{Z} + \vec{P}{ko} = \vec{P}{tt} + \vec{P}{ko}$, biến thiên liên tục theo chu kỳ công tác $720^\circ$. Bảng H trong văn bản ghi nhận chi tiết giá trị của $Q_{ch}$ tại các góc quay:
Góc quay $\alpha$ (độ) Giá trị $Q_{ch}$ (kN) Góc quay $\alpha$ (độ) Giá trị $Q_{ch}$ (kN)
$0^\circ$ -49 $360^\circ$ -49
$15^\circ$ -55 $375^\circ$ -55
$45^\circ$ -25 $405^\circ$ -25
$90^\circ$ +23 $450^\circ$ +23
$135^\circ$ -1 $495^\circ$ -1
$180^\circ$ -1 $540^\circ$ -1
$225^\circ$ -26 $585^\circ$ -25
$255^\circ$ -36 $615^\circ$ -35
$270^\circ$ -27 $630^\circ$ -26
$315^\circ$ -1 $675^\circ$ -1
$345^\circ$ -30 $705^\circ$ -32
$360^\circ$ -49 $720^\circ$ -49

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã trích xuất và tính toán đầy đủ các kết quả định lượng cụ thể phản ánh đặc tính nhiệt và cơ học của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền trên động cơ diesel:

  • Các chỉ tiêu chu trình công tác: Áp suất nén đạt $p_c = 5,65\text{ MN/m}^2$, nhiệt độ nén $T_c = 1016,06^\circ\text{K}$; quá trình cháy đạt áp suất đỉnh $p_z = 15,368\text{ MN/m}^2$ và nhiệt độ đỉnh $T_z = 2643^\circ\text{K}$; áp suất có ích trung bình $p_e = 0,5209\text{ MN/m}^2$. Động cơ đạt hiệu suất chỉ thị $\eta_i = 39,52%$, hiệu suất có ích $\eta_e = 27,97%$, hiệu suất cơ giới $\eta_m = 70%$, với suất tiêu hao nhiên liệu có ích $g_e = 292,78\text{ g/kW.h}$.
  • Thông số động học và động lực học: Xác lập hệ số kết cấu thanh truyền $\lambda = 0,362$; xác định lực quán tính ly tâm của khối lượng quay $P_K = -10,4\text{ kN}$; biên độ hợp lực tác dụng lên chốt khuỷu $Q_{ch}$ dao động từ cực tiểu $-55\text{ kN}$ (tại các góc $15^\circ, 375^\circ$) đến cực đại $+23\text{ kN}$ (tại các góc $90^\circ, 450^\circ$).
  • Giải pháp kết cấu được tác giả đề xuất:
    • Lựa chọn piston đỉnh lõm chứa buồng cháy nhằm tối ưu hóa sự hình thành hỗn hợp hòa khí và tận dụng dòng xoáy lốc của không khí nạp.
    • Sử dụng chốt piston hình trụ rỗng lắp tự do kết hợp bôi trơn vung té qua lỗ hứng dầu ở đầu nhỏ thanh truyền để giảm tải ma sát mài mòn.
    • Sử dụng thân thanh truyền tiết diện chữ I để đảm bảo độ bền đồng đều theo cả hai phương uốn; đầu to cắt phẳng liên kết bằng 2 bu-lông giúp kết cấu gọn, dễ gia công và lắp ráp.
    • Lựa chọn trục khuỷu nguyên đảm bảo độ cứng vững, ít dao động xoắn cho động cơ diesel 4 xy-lanh thẳng hàng.
  • Đóng góp của đồ án: Thiết lập quy trình tính toán nhiệt và động lực học mạch lạc, kết hợp đồng bộ giữa phương pháp giải tích và đồ thị Brick để chuyển đổi từ đồ thị áp suất chỉ thị sang đồ thị véc-tơ lực tác dụng lên chốt khuỷu và mô-men quay trục khuỷu, cung cấp bộ dữ liệu đầu vào chuẩn xác phục vụ khâu tính bền các chi tiết máy.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Toàn bộ nội dung văn bản dừng lại ở Chương V (tính toán động lực học). Hai nội dung được nêu trong đề cương nhiệm vụ ban đầu là Chương VI (Thiết kế kỹ thuật và tính bền các nhóm chi tiết) và Chương VII (Quy trình tháo, lắp, điều chỉnh, bảo dưỡng và sửa chữa) chưa xuất hiện trong phần nội dung thuyết minh chi tiết của tài liệu.
    • Có sự không đồng nhất về mặt số liệu ban đầu giữa trang giao nhiệm vụ ($D \times S = 108 \times 98\text{ mm}$, $N_e = 56\text{ kW}$ tại $2400\text{ v/ph}$) và số liệu triển khai tính toán nhiệt ở Chương III ($D \times S = 110 \times 102\text{ mm}$, $N_e = 30\text{ kW}$ tại $3300\text{ v/ph}$).
    • Trong tính toán động lực học thanh truyền, khối lượng chuyển động $m_o$ thực hiện đồng thời chuyển động thẳng và lắc được tác giả bỏ qua để đơn giản hóa quá trình tính, chỉ quy đổi thành hệ hai khối lượng tập trung ($m_A$ và $m_B$).
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Căn cứ vào phạm vi và đề cương ban đầu, hướng nghiên cứu hoàn thiện bao gồm việc triển khai tính toán kiểm nghiệm ứng suất bền cho các chi tiết cụ thể (đỉnh piston, chốt piston, thân thanh truyền, bu-lông thanh truyền, cổ trục và má khuỷu); đồng thời xây dựng quy trình công nghệ bảo dưỡng, tháo lắp và tiêu chuẩn kiểm tra độ mòn cơ cấu khuỷu trục thanh truyền trong điều kiện khai thác thực tế.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo trực tiếp cho sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Giao thông trong quá trình thực hiện đồ án môn học Động cơ đốt trong hoặc đồ án tốt nghiệp chuyên ngành kỹ thuật động lực.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

  • Phương pháp và thuật toán tính toán chu trình công tác nhiệt động động cơ diesel (đặc biệt là phương pháp giải lặp tìm chỉ số nén đa biến $n_1 = 1,3636$ và kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót $T_r$).
  • Phương pháp vẽ đồ thị công chỉ thị $P-V$ thông qua việc xác định độ lệch tâm $OO'$ của vòng tròn hiệu ứng Brick và cách thức hiệu chỉnh các điểm đặc trưng ($z', z'', c'', b''$).
  • Trình tự phân tích hệ lực động lực học từ đồ thị công chỉ thị sang đồ thị lực tiếp tuyến $T$, lực pháp tuyến $Z$, mô-men quay $M_q$ và bảng tra cứu hợp lực chốt khuỷu $Q_{ch}$ theo góc quay trục khuỷu.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ khảo sát trong đồ án sử dụng kiểu buồng cháy và phương án kết cấu piston nào?
Tác giả lựa chọn kiểu piston có đỉnh chứa buồng cháy dạng đỉnh lõm. Kết cấu này được lựa chọn dựa trên mẫu tham khảo động cơ Kubota Cummins ISB 4.5L 4 van/xy-lanh, có tác dụng tận dụng xoáy lốc của dòng khí nạp và phù hợp với hướng chùm tia phun nhiên liệu để tổ chức quá trình cháy tối ưu.

2. Áp suất và nhiệt độ lớn nhất của chu trình công tác động cơ đạt bao nhiêu và xuất hiện tại điểm nào?
Theo kết quả tính toán nhiệt tại Bảng A, áp suất lớn nhất đạt $p_z = 15,368\text{ MN/m}^2$ và nhiệt độ lớn nhất đạt $T_z = 2643^\circ\text{K}$, xuất hiện tại điểm $Z$ (cuối quá trình cháy - bắt đầu quá trình giãn nở).

3. Khối lượng nhóm thanh truyền được quy đổi như thế nào trong bài toán tính lực quán tính?
Nhóm thanh truyền ban đầu được thay thế bằng hệ 3 khối lượng tương đương ($m_A$ tại chốt piston, $m_B$ tại chốt khuỷu và $m_o$ tại trọng tâm). Để đơn giản hóa tính toán mà không gây sai số đáng kể, tác giả bỏ qua thành phần $m_o$ do giá trị khá nhỏ, quy đổi toàn bộ khối lượng thanh truyền về 2 điểm tập trung: đầu nhỏ $m_A$ chuyển động tịnh tiến cùng nhóm piston và đầu to $m_B$ chuyển động quay cùng trục khuỷu.

4. Lực quán tính ly tâm của khối lượng chuyển động quay có giá trị bao nhiêu và có đặc điểm tác dụng gì?
Lực quán tính ly tâm của khối lượng quay tính được là $P_K = -10,4\text{ kN}$ (hay $-10434,84\text{ N}$). Lực này tác dụng thường trực trên đường tâm má khuỷu theo chiều ly tâm và có độ lớn không đổi khi trục khuỷu quay với vận tốc góc ổn định.

5. Hợp lực tác dụng lên chốt khuỷu $Q_{ch}$ thay đổi như thế nào trong một chu trình công tác?
Hợp lực $Q_{ch}$ biến thiên theo chu kỳ $720^\circ$ góc quay trục khuỷu, đạt giá trị âm cực đại là $-55\text{ kN}$ tại góc $\alpha = 15^\circ$ và $375^\circ$, sau đó đổi chiều đạt giá trị dương cực đại $+23\text{ kN}$ tại góc $\alpha = 90^\circ$ và $450^\circ$, rồi giảm dần về các giá trị biên quanh điểm chết.

Kết luận

Đồ án học phần "Đồ án Động cơ đốt trong" của sinh viên Trường Đại học Công nghệ Đông Á đã hoàn thành việc phân tích điều kiện làm việc, lựa chọn phương án thiết kế kết cấu và tính toán toàn diện chu trình nhiệt động của động cơ diesel 4 kỳ. Bằng việc ứng dụng phương pháp giải tích kết hợp đồ thị vòng tròn Brick, công trình đã xác lập chi tiết các hàm động học và xây dựng hệ thống tải trọng động lực học tác dụng lên piston, thanh truyền và trục khuỷu. Dù chưa bao quát toàn bộ phần tính bền và quy trình bảo dưỡng như nhiệm vụ ban đầu do giới hạn văn bản, các kết quả số liệu định lượng về chu trình nhiệt và phổ lực chốt khuỷu $Q_{ch}$ là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo rõ ràng cho sinh viên và kỹ sư cơ khí ô tô.