Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Động cơ đốt trong giữ vai trò then chốt trong đời sống xã hội và các ngành sản xuất công nghiệp, đặc biệt là lĩnh vực giao thông vận tải đường bộ, đường thủy, đường sắt và hàng không. Trong cơ cấu năng lượng toàn cầu, động cơ đốt trong cung cấp khoảng 80% tổng nguồn năng lượng phục vụ vận tải và sản xuất cơ giới. Tại Việt Nam, sự tăng trưởng kinh tế thúc đẩy mạnh mẽ ngành công nghiệp sản xuất và lắp ráp ô tô thông qua các liên doanh quốc tế như Toyota, Honda, Nissan. Để từng bước nâng cao năng lực kỹ thuật và giảm phụ thuộc vào việc chuyển giao công nghệ, yêu cầu làm chủ quy trình nghiên cứu, tính toán nhiệt động lực học và thiết kế chế tạo các cụm chi tiết cơ cấu động cơ là đòi hỏi cấp thiết đối với kỹ sư cơ khí động lực.

Trong chương trình đào tạo chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Giao thông tại Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng, đồ án liên môn "PBL2: Thiết kế các cơ cấu trong động cơ đốt trong" được xây dựng nhằm tích hợp và vận dụng khối kiến thức từ hai học phần cốt lõi: "Nguyên lý Động cơ đốt trong" và "Kết cấu và tính toán Động cơ đốt trong". Đề tài tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho động cơ xăng bốn kỳ, bốn xi-lanh thẳng hàng mang mã hiệu GM4-023.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia cụ thể cho các thành viên trong nhóm thực hiện:

  1. Tính toán chu trình công tác nhiệt, xây dựng đồ thị công lý thuyết $P-V$, triển khai đồ thị động học và động lực học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền.
  2. Khảo sát, phân tích tổng quan kết cấu, nguyên lý vận hành các hệ thống phụ trợ trên động cơ tham khảo thực tế Mazda 2 ZY-VE.
  3. Tính toán kết cấu, xác định thông số kích thước cơ cấu nhóm piston - chốt piston - xécmăng; tính toán nhóm thanh truyền và lập bản vẽ chi tiết thanh truyền khổ A3.
  4. Phân tích kết cấu, tính toán kích thước trục khuỷu, bạc lót, bánh đà và lập bản vẽ chế tạo trục khuỷu khổ A3.
  5. Thiết kế cơ cấu phân phối khí hai trục cam trên nắp máy (DOHC) tích hợp van biến thiên thông minh VVT-i; tính toán biên dạng cam và lập bản vẽ chi tiết cơ cấu dẫn động, xupap, trục cam khổ A3.
  6. Xác định kích thước, phân tích điều kiện làm việc của nhóm thân máy - nắp máy và lập bản vẽ chế tạo thân máy, nắp máy khổ A3.

Đối tượng nghiên cứu là cơ cấu biến đổi chuyển động (trục khuỷu - thanh truyền - piston), cơ cấu phân phối khí và kết cấu thân nắp máy của động cơ đốt trong GM4-023. Phạm vi nghiên cứu về mặt thời gian được thực hiện từ ngày 10/09/2023 đến ngày 02/12/2023 tại Bộ môn Cơ khí Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng. Phạm vi nội dung tập trung vào tính toán cơ học lý thuyết, đồ giải động lực học và thiết kế kích thước hình học chi tiết máy theo các công thức thực nghiệm chuyên ngành, không đi sâu vào thực nghiệm đo đạc băng thử hoặc mô phỏng dòng chảy số.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng hệ thống lý thuyết chu trình công tác của động cơ đốt trong bốn kỳ đánh lửa cưỡng bức, kết hợp các phương pháp nhiệt động kỹ thuật đối với quá trình nén và giãn nở đa biến. Quá trình biến đổi động học và cân bằng lực trong cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền giao tâm được giải quyết dựa trên lý thuyết cơ học máy và kết cấu tính toán động cơ đốt trong.

Hệ thống phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai bao gồm:

  • Phương pháp tính toán nhiệt động lực học: Xác định các thông số trạng thái của môi chất tại các điểm đặc biệt của chu trình công tác (cuối kỳ nạp $a$, cuối kỳ nén $c$, điểm cháy cực đại $z$, cuối kỳ giãn nở $b$, điểm thải tự do $r$) thông qua các chỉ số nén đa biến $n_1 = 1{,}39$ và chỉ số giãn nở đa biến $n_2 = 1{,}29$.
  • Phương pháp đồ giải động học:
    • Ứng dụng đồ thị vòng tròn Brick với tâm dời $OO' = \lambda \cdot R / 2$ để xác định chuyển vị của piston $x = f(\alpha)$ theo góc quay trục khuỷu.
    • Ứng dụng phương pháp hai vòng tròn bán kính $R_1 = R \cdot \omega$ và $R_2 = \lambda \cdot R \cdot \omega / 2$ để vẽ đường bao vận tốc piston $v = f(\alpha)$.
    • Ứng dụng phương pháp Tô-lê để xác định gia tốc chuyển động tịnh tiến $j = f(x)$ của piston với các giá trị cực trị $j_{max}$ tại điểm chết trên và $j_{min}$ tại điểm chết dưới.
  • Phương pháp động lực học giải tích và cộng đồ thị:
    • Quy đổi khối lượng các chi tiết chuyển động tịnh tiến ($m_{pt}$ và một phần ba khối lượng thanh truyền $m_1$) để tính toán lực quán tính chuyển động tịnh tiến $P_j$.
    • Cộng đồ thị lực khí thể $P_{kt}$ và đồ thị lực quán tính $-P_j$ nhằm xác định lực tổng hợp $P_\Sigma$ tác dụng lên đỉnh piston.
    • Phân tích lực tổng hợp thành lực tiếp tuyến $T$ tạo mômen quay cho trục khuỷu, lực pháp tuyến $Z$ nén má khuỷu và lực ngang $N$ gây ma sát mài mòn thành vách xi lanh.
    • Xây dựng đồ thị véc-tơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu và đồ thị phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền bằng phương pháp tọa độ cực.
    • Xác định trạng thái hao mòn lý thuyết của ngõng trục bằng đồ thị mài mòn chốt khuỷu thông qua việc chia vòng tròn thành 24 phần bằng nhau (mỗi khoảng $15^\circ$) nhằm định vị chính xác vị trí khoan lỗ cấp dầu bôi trơn tại vùng chịu tải nhỏ nhất.
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật hình học: Áp dụng các tỷ lệ thực nghiệm ngành cơ khí động lực liên hệ giữa kích thước kết cấu chi tiết với đường kính xi lanh $D = 79\text{ mm}$ và bán kính quay trục khuỷu $R = 41{,}5\text{ mm}$.

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bắt nguồn từ các giáo trình chuyên ngành chính thống: "Nguyên lý Động cơ đốt trong" của Nguyễn Văn Bình - Nguyễn Tắt Tiến; bộ giáo trình ba tập "Kết cấu và tính toán Động cơ đốt trong" của nhóm tác giả Hồ Tấn Chuẩn, Nguyễn Đức Phú, Trần Văn Tế, Nguyễn Tắt Tiến; tài liệu "Nhiệt kỹ thuật" của Nguyễn Bốn - Hoàng Ngọc Đồng; và tài liệu thông số kỹ thuật xuất xưởng của động cơ Mazda ZY-VE.

Thiết kế và triển khai cơ cấu kỹ thuật

Động cơ thiết kế GM4-023 là động cơ xăng bốn kỳ, bốn xi-lanh bố trí thẳng hàng (In-line), nạp khí tự nhiên, sử dụng hệ thống phun xăng điện tử L-EFI và cơ cấu phân phối khí 16 van dẫn động bằng xích với hai trục cam đặt trên nắp máy kết hợp hệ thống van biến thiên thông minh VVT-i.

Bảng so sánh thông số đầu vào thiết kế của động cơ GM4-023 và thông số động cơ tham khảo ZY-VE:

Thông số kỹ thuật Ký hiệu / Đơn vị Động cơ thiết kế GM4-023 Động cơ tham khảo ZY-VE
Loại nhiên liệu - Xăng (Gasoline) Xăng (Gasoline)
Số xi-lanh / Cách bố trí - 4 / Thẳng hàng (In-line) 4 / Thẳng hàng (In-line)
Thứ tự làm việc - 1 - 3 - 4 - 2 1 - 3 - 4 - 2
Đường kính xi-lanh ($D$) mm 79 78
Hành trình piston ($S$) mm 83 78,4
Tỷ số nén ($\varepsilon$) - 10 10 (bản ZY-VE cơ sở)
Dung tích công tác ($V_h$) dm$^3$ 0,4068 0,3745
Công suất cực đại ($N_e$) kW / mã lực 65 kW tại 5000 vg/ph 111 mã lực tại 6000 vg/ph
Tốc độ trung bình piston ($C_m$) m/s 13,83 -
Tham số kết cấu ($\lambda = R/L$) - 0,26 -
Áp suất cực đại lý thuyết ($p_z$) MN/m$^2$ 4,7 -
Khối lượng nhóm piston ($m_{pt}$) kg 0,7 -
Khối lượng thanh truyền ($m_{tt}$) kg 0,9 -
Góc đánh lửa sớm ($\theta$) độ 10 Điều khiển tự động
Pha phân phối khí (nạp mở/đóng) độ Mở sớm 37° / Đóng muộn 53° Mở -9°~31° / Đóng 59°~19°
Pha phân phối khí (thải mở/đóng) độ Mở sớm 53° / Đóng muộn 10° Mở 40° / Đóng -1°
Cơ cấu phối khí - 4 van/xi-lanh, DOHC, VVT-i 4 van/xi-lanh, DOHC, VVT-i

Quá trình triển khai kỹ thuật được thực hiện qua các bước tính toán kích thước và kiểm tra điều kiện làm việc:

  1. Cơ cấu Piston - Chốt - Xécmăng: Vật liệu chế tạo piston là hợp kim nhôm đúc, kết cấu đỉnh bằng có phay vát bốn vùng lõm tránh va chạm với nấm xupap. Đầu piston xẻ ba rãnh (hai rãnh lắp xécmăng khí bằng gang xám phủ mạ và một rãnh lắp xécmăng dầu có gạt đàn hồi). Chốt piston dạng trụ rỗng bằng thép hợp kim, lắp tự do với bệ chốt và đầu nhỏ thanh truyền, cố định dọc trục bằng hai vòng hãm lò xo.
  2. Cơ cấu Thanh truyền: Chế tạo bằng thép hợp kim rèn khuôn dập nóng. Đầu nhỏ thanh truyền có ép bạc lót đồng, bôi trơn vung té và qua rãnh dẫn. Thân thanh truyền tiết diện chữ I rỗng giúp giảm khối lượng quán tính. Đầu to chia làm hai nửa ghép bằng hai bulông thép chuyên dụng cỡ M8x1, bề mặt lắp ghép định vị chính xác với bạc lót hai nửa có gờ định vị.
  3. Cơ cấu Trục khuỷu - Bạc lót - Bánh đà: Trục khuỷu thép cacbon trung bình ($40 - 50%\text{ C}$) chế tạo bằng phương pháp dập thể tích, gồm 5 cổ trục chính (dạng đủ cổ) và 4 chốt khuỷu. Bề mặt các ngõng trục được tôi cao tần đạt độ cứng $52 - 62\text{ HRC}$. Giữa cổ trục và chốt khuỷu có độ trùng điệp $\Delta = 13{,}5\text{ mm}$ đảm bảo độ cứng vững uốn và xoắn. Bạc lót ổ trục là loại thép cán mỏng tráng hợp kim chống mòn (babbitt). Bánh đà bằng gang xám, có vành răng khởi động ép nóng, liên kết vào mặt bích đuôi trục khuỷu bằng bulông cường độ cao.
  4. Cơ cấu Phân phối khí và hệ thống VVT-i: Hai trục cam riêng biệt điều khiển trực tiếp nấm xupap qua con đội hình cốc. Nấm xupap nạp có góc nghiêng mặt côn $30^\circ$, nấm xupap thải có góc nghiêng $45^\circ$ mạ hợp kim chịu nhiệt. Trục cam nạp lắp bộ điều khiển xoay pha VVT-i sử dụng áp suất dầu thủy lực điều khiển bởi van điện từ ba vị trí (làm sớm, làm muộn, giữ nguyên góc quay).
  5. Nhóm Thân máy - Nắp máy: Thân máy và nắp máy đúc bằng hợp kim nhôm nguyên khối, lòng xi-lanh đúc liền có áo nước làm mát tuần hoàn khép kín. Nắp nắp giàn cò phía trên dùng vật liệu polyme kỹ thuật nhằm giảm khối lượng cụm chi tiết.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tính toán xây dựng bản vẽ đồ thị

Chương I trình bày toàn bộ quy trình tính toán nhiệt động học, động học và động lực học cơ cấu biến đổi chuyển động của động cơ GM4-023. Tác giả tính toán xác định tốc độ trung bình của piston $C_m = 13{,}83\text{ m/s}$ (với $S = 0{,}083\text{ m}$, $n = 5000\text{ vg/ph}$), từ đó khẳng định động cơ thuộc nhóm động cơ cao tốc ($C_m > 9\text{ m/s}$). Thể tích công tác xi-lanh đạt $V_h = 0{,}4068\text{ dm}^3$, thể tích buồng cháy $V_c = 0{,}0452\text{ dm}^3$, tổng thể tích xi-lanh $V_a = 0{,}452\text{ dm}^3$. Áp suất cuối kỳ nạp được chọn $p_a = 0{,}08\text{ MN/m}^2$, áp suất cuối kỳ nén $p_c = 1{,}963\text{ MN/m}^2$, áp suất cuối quá trình giãn nở $p_b = 0{,}241\text{ MN/m}^2$, và áp suất cháy cực đại $p_z = 4{,}7\text{ MN/m}^2$.

Trên cơ sở các thông số trạng thái, tác giả lập bảng giá trị áp suất nén $p_{nx}$ và giãn nở $p_{gnx}$ theo từng khoảng biến thiên thể tích, dựng đồ thị công chỉ thị $P - V$ và hiệu chỉnh thực tế qua các góc đánh lửa sớm $\theta = 10^\circ$, góc mở sớm/đóng muộn của xupap nạp và thải. Đồ giải động học bằng đồ thị Brick xác định hành trình chuyển vị $S = f(\alpha)$, phương pháp hai vòng tròn xác định trường vận tốc $v = f(\alpha)$, và phương pháp Tô-lê xác định trường gia tốc với $j_{max} = 14335{,}6\text{ m/s}^2$, $j_{min} = -8425{,}25\text{ m/s}^2$. Khối lượng tịnh tiến quy dẫn $m = 0{,}97\text{ kg}$ tạo ra lực quán tính cực đại $P_{j max} = 2{,}82\text{ MN/m}^2$ và $P_{j min} = -1{,}66\text{ MN/m}^2$. Đồ thị lực tổng hợp $P_\Sigma$, lực tiếp tuyến $T$, lực pháp tuyến $Z$ và lực ngang $N$ được thiết lập chi tiết theo chu kỳ hai vòng quay trục khuỷu ($720^\circ$). Đồ thị tổng mômen $\sum T$ cho 4 xi-lanh với thứ tự nổ 1-3-4-2 có góc lệch công tác $\delta_k = 180^\circ$ phản ánh tính chu kỳ của mômen phát động. Cuối chương, đồ thị phụ tải chốt khuỷu, phụ tải đầu to thanh truyền và đồ thị mài mòn chốt khuỷu được lập thành bảng số liệu để làm căn cứ bố trí lỗ dầu bôi trơn.

Chương II: Phân tích đặc điểm kỹ thuật & hệ thống động cơ tham khảo

Chương II tập trung nghiên cứu chi tiết kết cấu và nguyên lý hoạt động của động cơ ZY-VE trên dòng xe Mazda 2 qua ba thế hệ (2002-2007, 2007-2014, và từ 2014 đến nay). Tác giả phân tích cấu trúc động cơ Skyactiv-G 1.5L bốn xi-lanh thẳng hàng, công suất 111 mã lực tại 6000 vg/ph và mô-men xoắn 140 Nm tại 4000 vg/ph. Động cơ tham khảo này tích hợp hàng loạt công nghệ hiện đại: phun xăng điện tử trực tiếp, cơ cấu phân phối khí DOHC 16 van xupap treo góc nghiêng $30^\circ$ (nạp) và $45^\circ$ (thải), làm bằng thép hợp kim 40Cr.

Chương này mô tả chi tiết các hệ thống phụ trợ:

  • Hệ thống nhiên liệu: Bơm xăng cánh gạt đặt chìm trong thùng nhiên liệu, ống phân phối áp suất cao, bộ giảm rung và vòi phun điện tử.
  • Hệ thống bôi trơn: Kiểu bôi trơn cưỡng bức kết hợp vung té, sử dụng bơm dầu bánh răng ăn khớp trong dẫn động từ đầu trục khuỷu, có van điều áp và két làm mát dầu bôi trơn.
  • Hệ thống làm mát: Tuần hoàn cưỡng bức bằng nước với bơm cánh dẫn ly tâm, van hằng nhiệt và quạt làm mát điều khiển điện tử.
  • Hệ thống nạp - thải: Cổ góp nạp tối ưu khí động học, cụm xử lý khí thải bằng bộ trung hòa chất xúc tác ba thành phần (TWC), cảm biến oxy trước/sau và van tuần hoàn khí thải EGR.
  • Hệ thống đánh lửa: Kiểu đánh lửa trực tiếp không bộ chia điện (Coil-on-Plug - COP) với bốn cuộn dây và bốn IC đánh lửa độc lập điều khiển qua tín hiệu xung IGT từ PCM; bugi sử dụng cực dương hợp kim iridium và cực âm mạ platin.
  • Hệ thống điều khiển điện tử và cảm biến: Khảo sát nguyên lý làm việc của cảm biến đo khối lượng khí nạp MAF loại dây sấy nóng, cảm biến oxy điện hóa nung nóng Zirconia ($ZrO_2$), cảm biến vị trí trục khuỷu CKP (đĩa răng 34 răng - khuyết 2 răng), cảm biến vị trí trục cam CMP (3 vấu tín hiệu), cảm biến vị trí bướm ga TPS loại hiệu ứng Hall không tiếp xúc, cảm biến nhiệt độ nước làm mát ECT dùng điện trở nhiệt, và cảm biến kích nổ dùng tinh thể thạch anh áp điện có tần số cộng hưởng riêng $f = 7\text{ kHz}$.

Chương III: Phân tích tính toán thiết kế các cơ cấu động cơ GM4-023

Chương III đi sâu vào tính toán xác định kích thước hình học và lựa chọn kết cấu cho cụm chi tiết trục khuỷu - thanh truyền - piston của động cơ GM4-023:

  • Nhóm Piston: Tính toán các kích thước theo đường kính xi-lanh $D = 79\text{ mm}$: chiều dày đỉnh piston $\delta = 4\text{ mm}$, khoảng cách từ đỉnh đến rãnh xécmăng thứ nhất $\delta = 4\text{ mm}$, chiều dày phần đầu piston $s = 6\text{ mm}$, chiều cao toàn bộ piston $H = 60\text{ mm}$, khoảng cách từ đỉnh tới tâm chốt $h_1 = 35\text{ mm}$, đường kính ngoài bệ chốt $d_s = 35\text{ mm}$, đường kính chốt piston $d_{cp} = 25\text{ mm}$, chiều dày phần thân piston $s_1 = 2\text{ mm}$. Hệ thống xécmăng gồm hai xécmăng khí (chiều dày hướng tâm $t = 3\text{ mm}$, chiều cao $a = 1{,}5\text{ mm}$) và một xécmăng dầu (chiều cao $a_2 = 2\text{ mm}$).
  • Nhóm Thanh truyền: Chiều dài từ tâm đầu to đến tâm đầu nhỏ thanh truyền $L = 160\text{ mm}$ (ứng với $\lambda = R/L = 41{,}5/160 \approx 0{,}26$). Đầu nhỏ thanh truyền có đường kính ngoài $d_2 = 37\text{ mm}$, đường kính bạc lót $d_{cp} = 27\text{ mm}$, chiều dài đầu nhỏ $l_d = 25\text{ mm}$, chiều dày bạc lót $s_1 = 2\text{ mm}$. Đầu to thanh truyền lắp ghép với chốt khuỷu đường kính $d_{ck} = 50\text{ mm}$, chiều dày đầu to $l_{dt} = 31\text{ mm}$, khoảng cách giữa tâm hai bulông thanh truyền $c = 65\text{ mm}$, đường kính trong đầu to $D = 52\text{ mm}$, chiều dày bạc lót đầu to $s_2 = 2\text{ mm}$. Bulông thanh truyền sử dụng ren M8x1.
  • Nhóm Trục khuỷu - Bạc lót - Bánh đà: Trục khuỷu dạng đủ cổ gồm 5 cổ trục chính đường kính $d_{ct} = 60\text{ mm}$, chiều dài cổ trục $l_c = 35\text{ mm}$; 4 chốt khuỷu đường kính $d_{ch} = 50\text{ mm}$, chiều dài chốt $l_{ch} = 30\text{ mm}$. Má khuỷu hình lăng trụ vát góc có chiều rộng $h = 100\text{ mm}$, chiều dày $b_m = 20\text{ mm}$, độ trùng điệp giữa cổ và chốt $\Delta = (d_{ct} + d_{ch})/2 - R = (60 + 50)/2 - 41{,}5 = 13{,}5\text{ mm}$. Đường kính lỗ dẫn dầu bôi trơn khoan xiên trong má khuỷu $d_d = 4\text{ mm}$. Bánh đà bằng gang xám được định vị và bắt chặt vào mặt bích đuôi trục khuỷu.

Chương IV: Thiết kế cơ cấu phân phối khí

Chương IV trình bày việc thiết kế cơ cấu phân phối khí kiểu xupap treo, hai trục cam đặt trên nắp máy DOHC dẫn động trực tiếp qua con đội hình cốc. Mỗi xi-lanh bố trí 4 xupap (hai nạp, hai thải) đặt nghiêng tạo buồng cháy dạng chỏm cầu gọn gàng. Dẫn động hai trục cam từ trục khuỷu thông qua bộ truyền xích hai tầng có trang bị hai cơ cấu tăng xích thủy lực tự động kết hợp lò xo ép.

Hệ thống điều khiển pha van biến thiên VVT-i được tích hợp tại đầu trục cam nạp. Bộ điều khiển gồm vỏ ngoài gắn với bánh xích dẫn động và cánh gạt bên trong gắn chặt vào đầu trục cam nạp. Dưới sự điều khiển của ECU thông qua van điện từ phân phối đường dầu thủy lực, hệ thống có thể chuyển đổi linh hoạt qua ba trạng thái: làm sớm thời điểm mở xupap nạp, làm muộn thời điểm mở, hoặc giữ nguyên vị trí trục cam.

Tác giả tính toán xác định biên dạng cam lồi cho trục cam nạp và thải:

  • Góc công tác cam nạp: $\theta_{cn} = (180^\circ + \alpha_1 + \alpha_2)/2 = (180^\circ + 37^\circ + 53^\circ)/2 = 135^\circ$.
  • Góc công tác cam thải: $\theta_{ct} = (180^\circ + \beta_1 + \beta_2)/2 = (180^\circ + 53^\circ + 10^\circ)/2 = 121{,}5^\circ$.
  • Đường kính trục cam nạp $d_c = 26\text{ mm}$, trục cam thải $d_c = 24\text{ mm}$.
  • Độ nâng lớn nhất của xupap nạp $h_{xn} = 7\text{ mm}$, xupap thải $h_{xt} = 6{,}5\text{ mm}$.
  • Bán kính cơ sở cam nạp $R_n = 14\text{ mm}$, cam thải $R_t = 13\text{ mm}$.
  • Bán kính cung đỉnh cam nạp $r_n = 10\text{ mm}$, cam thải $r_t = 7\text{ mm}$.

Chương V: Thiết kế nhóm thân máy - nắp máy

Chương V tổng kết các yêu cầu kỹ thuật, điều kiện làm việc và kích thước bao của nắp máy và thân máy động cơ GM4-023. Nắp máy đóng vai trò lắp đặt trục cam, xupap, vòi phun, bugi, tạo đường dẫn khí nạp - thải và cùng đỉnh piston tạo thành buồng cháy kín. Thân máy đóng vai trò là khung chịu lực chính, gá đặt toàn bộ trục khuỷu, xi-lanh, bơm nước, bơm dầu và chịu tải trọng uốn, xoắn, rung giật cùng nhiệt độ chênh lệch lớn giữa các vùng làm việc.

Cả thân máy và nắp máy đều được chọn chế tạo bằng vật liệu hợp kim nhôm đúc nhằm giảm khối lượng bản thân và tối ưu hóa khả năng truyền tản nhiệt ra nước làm mát. Các thông số kích thước cơ bản được xác lập:

  • Kích thước nắp máy: Chiều dài $L = 535\text{ mm}$, chiều rộng $B = 314\text{ mm}$, chiều cao $H = 347\text{ mm}$, đường kính xi-lanh gia công $D = 79\text{ mm}$.
  • Kích thước thân máy: Chiều dài $L = 535\text{ mm}$, chiều rộng $B = 314\text{ mm}$, chiều cao $H = 189\text{ mm}$, đường kính xi-lanh gia công $D = 79\text{ mm}$.

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành trọn vẹn bộ hồ sơ thuyết minh tính toán và bản vẽ kỹ thuật cho động cơ xăng bốn kỳ GM4-023 với các kết quả cụ thể:

  • Xác lập đầy đủ hệ số tính toán nhiệt động học cho động cơ: $p_a = 0{,}08\text{ MN/m}^2$, $p_c = 1{,}963\text{ MN/m}^2$, $p_z = 4{,}7\text{ MN/m}^2$, $p_b = 0{,}241\text{ MN/m}^2$, tốc độ trung bình piston $C_m = 13{,}83\text{ m/s}$ tại $5000\text{ vg/ph}$.
  • Xây dựng hoàn chỉnh hệ thống đồ thị động học và động lực học cơ cấu trục khuỷu thanh truyền: đồ thị công $P-V$, chuyển vị $S-\alpha$, vận tốc $v-\alpha$, gia tốc $j-x$ ($j_{max} = 14335{,}6\text{ m/s}^2$), đồ thị khai triển lực tiếp tuyến $T$, pháp tuyến $Z$, lực ngang $N$, đồ thị tổng mômen $\sum T$, đồ thị véc-tơ phụ tải chốt khuỷu và đồ thị mài mòn lý thuyết ngõng trục.
  • Đưa ra bộ thông số kích thước kết cấu chi tiết máy có tính khả thi kỹ thuật: piston nhôm $D = 79\text{ mm}$, $H = 60\text{ mm}$; thanh truyền thép dập $L = 160\text{ mm}$; trục khuỷu đủ cổ thép $40-50%\text{ C}$ có đường kính cổ $60\text{ mm}$, đường kính chốt $50\text{ mm}$, độ cứng $52-62\text{ HRC}$, lỗ dầu $4\text{ mm}$; cơ cấu phân phối khí DOHC có độ nâng van nạp $7\text{ mm}$, van thải $6{,}5\text{ mm}$, biên dạng cam lồi với bán kính đỉnh $10\text{ mm}$ (nạp) và $7\text{ mm}$ (thải).
  • Về giải pháp kỹ thuật, đồ án đề xuất ứng dụng cơ cấu điều khiển van biến thiên thông minh VVT-i tại trục cam nạp kết hợp cụm nắp đậy dẫn động xích tích hợp vỏ bơm nước và bơm dầu nhằm thu gọn không gian đầu máy, giảm khối lượng tổng thể động cơ.
  • Về mặt học thuật và đào tạo, công trình cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình đồ giải cơ học máy kết hợp phương pháp tính toán thực nghiệm cho sinh viên khối ngành cơ khí động lực khi thiết kế động cơ ô tô du lịch cỡ nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Việc xác định đường mài mòn chốt khuỷu hoàn toàn dựa trên các giả thuyết hao mòn lý thuyết (phụ tải tác dụng ổn định ở công suất định mức, mòn tỷ lệ thuận với phụ tải, bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt độ cục bộ, điều kiện bôi trơn thủy động và dung sai lắp ghép công nghệ).
  • Các chi tiết quan trọng như piston, thanh truyền, nắp máy và thân máy chỉ mới dừng lại ở tính toán kích thước theo công thức tỷ lệ kinh nghiệm và vẽ kết cấu hai chiều, chưa được kiểm nghiệm ứng suất và biến dạng thông qua phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA).
  • Hệ thống điều khiển phun nhiên liệu và đánh lửa chỉ được phân tích định tính dựa trên mô hình tham khảo của động cơ Mazda ZY-VE mà chưa xây dựng được bản đồ điều khiển (ECU calibration map) thực tế cho động cơ GM4-023.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Ứng dụng các phần mềm chuyên ngành (như ANSYS, Ricardo WAVE hoặc AVL Boost) để mô phỏng chu trình nhiệt động học và trường nhiệt độ, trường ứng suất trên đỉnh piston, nắp máy và thân máy dưới các chế độ tải trọng thay đổi.
  • Nghiên cứu mô phỏng động lực học đa vật thể (MBD) cho cụm trục khuỷu - thanh truyền nhằm đánh giá chính xác dao động xoắn và ảnh hưởng của áp suất màng dầu bôi trơn tại các ổ trượt.
  • Xây dựng thuật toán và mô hình điều khiển góc xoay trục cam VVT-i theo thời gian thực trên nền tảng phần mềm điều khiển động cơ.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Giao thông tại các trường đại học kỹ thuật khi thực hiện đồ án môn học Động cơ đốt trong (PBL2), đồ án Kết cấu động cơ hoặc đồ án tốt nghiệp kỹ sư.
  • Người làm đề tài tham khảo có thể khai thác trực tiếp quy trình lập bảng số liệu và các bước dựng đồ thị động học, động lực học kinh điển (phương pháp đồ thị Brick, đồ thị Tô-lê, véc-tơ phụ tải chốt khuỷu và đồ thị mài mòn lý thuyết) tại Chương I.
  • Phần phân tích chi tiết các cảm biến điện tử trên động cơ ZY-VE tại Chương II và quy trình xác định biên dạng cam lồi cơ cấu DOHC tích hợp van biến thiên VVT-i tại Chương IV là nguồn dữ liệu thực tế phục vụ học tập các học phần Hệ thống điện - điện tử ô tô và Thiết kế cơ cấu phân phối khí.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ GM4-023 được phân loại vào nhóm động cơ tốc độ cao dựa trên căn cứ tính toán nào?
Động cơ GM4-023 có hành trình piston $S = 83\text{ mm} = 0{,}083\text{ m}$ và số vòng quay định mức $n = 5000\text{ vg/ph}$. Vận tốc trung bình của piston được tính theo công thức: $$C_m = \frac{S \cdot n}{30} = \frac{0{,}083 \cdot 5000}{30} = 13{,}83\text{ m/s}$$ Do $C_m = 13{,}83\text{ m/s} > 9\text{ m/s}$, theo tiêu chuẩn phân loại nhiệt động học động cơ đốt trong, động cơ này được định danh chính xác là động cơ cao tốc.

2. Đồ thị mài mòn lý thuyết của chốt khuỷu trong Chương I được xây dựng nhằm mục đích gì?
Đồ thị mài mòn chốt khuỷu thể hiện trạng thái hao mòn và phân bố tải trọng lý thuyết xung quanh bề mặt chốt khuỷu thông qua việc chia vòng tròn thành 24 tia ứng với mỗi góc $15^\circ$. Mục đích kỹ thuật quan trọng nhất của đồ thị này là xác định chính xác khu vực chịu tải trọng nhỏ nhất trên ngõng trục, từ đó quyết định vị trí khoan lỗ cấp dầu bôi trơn $\Phi = 4\text{ mm}$ dẫn từ cổ trục lên chốt khuỷu nhằm đảm bảo dầu bôi trơn được đưa vào đúng khe hở có áp suất thấp nhất, giúp dòng dầu lưu thông dễ dàng và giảm thiểu mài mòn ổ trượt.

3. Kích thước và vật liệu chế tạo cơ cấu trục khuỷu động cơ GM4-023 được xác lập như thế nào?
Trục khuỷu được chế tạo từ thép cacbon có thành phần cacbon từ $40 - 50%$ bằng phương pháp rèn khuôn dập thể tích, kết cấu đủ 5 cổ trục chính. Kích thước tính toán cụ thể gồm: đường kính cổ trục chính $d_{ct} = 60\text{ mm}$, chiều dài cổ trục $l_c = 35\text{ mm}$; đường kính chốt khuỷu $d_{ch} = 50\text{ mm}$, chiều dài chốt $l_{ch} = 30\text{ mm}$; bề mặt cổ và chốt đều được tôi cứng đạt $52 - 62\text{ HRC}$. Má khuỷu có chiều dày $b_m = 20\text{ mm}$, chiều rộng $h = 100\text{ mm}$, tạo ra độ trùng điệp giữa cổ và chốt là $\Delta = 13{,}5\text{ mm}$.

4. Cơ cấu phân phối khí động cơ GM4-023 sử dụng thông số góc pha và biên dạng cam nạp/thải như thế nào?
Động cơ sử dụng cơ cấu DOHC 4 van/xi-lanh với các góc phối khí: xupap nạp mở sớm $\alpha_1 = 37^\circ$, đóng muộn $\alpha_2 = 53^\circ$; xupap thải mở sớm $\alpha_3 = 53^\circ$, đóng muộn $\alpha_4 = 10^\circ$. Biên dạng cam được thiết kế là loại cam lồi với góc công tác của cam nạp $\theta_{cn} = 135^\circ$ (độ nâng van $7\text{ mm}$, bán kính cơ sở $R_n = 14\text{ mm}$, bán kính đỉnh $r_n = 10\text{ mm}$) và góc công tác của cam thải $\theta_{ct} = 121{,}5^\circ$ (độ nâng van $6{,}5\text{ mm}$, bán kính cơ sở $R_t = 13\text{ mm}$, bán kính đỉnh $r_t = 7\text{ mm}$).

Kết luận

Đồ án liên môn PBL2 của nhóm sinh viên Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng đã hoàn thành xuất sắc việc tính toán chu trình công tác nhiệt, động học, động lực học và thiết kế kích thước chi tiết máy cho động cơ xăng GM4-023 công suất 65 kW. Bằng việc kết hợp phương pháp giải tích, phương pháp đồ giải cơ học kinh điển và đối chiếu thực tế với động cơ Mazda 2 ZY-VE, công trình đã xác lập được hệ thống thông số kỹ thuật đồng bộ cho cơ cấu trục khuỷu thanh truyền, cơ cấu phân phối khí VVT-i và cụm thân nắp máy. Toàn bộ kết quả tính toán và bản vẽ kỹ thuật đi kèm là tài liệu học thuật có giá trị tham khảo rõ ràng cho sinh viên và kỹ sư ngành kỹ thuật cơ khí động lực.