Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
==========
Tên đề tài: NGHIÊN CỨU SỰ TƯƠNG TÁC VÀ BIẾN
DẠNG CỦA CẶP PITTONG – XI LANH ĐỘNG
CƠ ĐỐT TRONG KHI TĂNG ÁP Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
Học viên: Bùi Thị Ngọc Chiến
Lớp: CHK11 CTM

1.1.2. Các phương pháp tăng áp chủ yếu 2
1.1.3. Sự thay đổi hiệu suất cơ giới của động cơ trước
và sau khi tăng áp 5
1.2. Sự tương tác của cặp pittông - xilanh động cơ đốt trong 6
1.2.1. Mô hình không có khe hở và không có sự tương tác 7
1.2.2. Mô hình có khe hở, không tương tác 9
1.2.3. Mô hình có khe hở, có tương tác 11
1.3. Một số kết quả nghiên cứu trong nước 13
1.4. Kết luận chương 1 và tổng quan về vấn đề nghiên cứu 15
1.5. Bố cục của luận văn 16
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Chƣơng 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN
NHIỆT ĐỘNG, SỰ TƢƠNG TÁC GIỮA PITTÔNG VÀ XILANH
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG.
2.1. Đặt vấn đề 17
2.2. Mô hình hình học cặp pittông và xilanh động cơ khảo sát.
2.2.1. Mô hình hình học pittông 18
2.2.2. Mô hình hình học ống lót xilanh 18
2.3. Mô hình tương tác giữa pittông - xilanh động cơ đốt trong 19
2.4. Phương trình tương tác giữa thân pittông với thành xilanh 22

Chƣơng 3
TÍNH TOÁN SỰ BIẾN DẠNG VÀ SỰ TƢƠNG TÁC CỦA CẶP
PITTÔNG - XILANH ĐỘNG CƠ SAU TĂNG ÁP.
3.1. Đối tượng và công cụ khảo sát

PHỤ LỤC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN

Ký hiệu
Diễn giải
Thứ nguyên
A
Tâm chốt pittông
-
C
Hệ số phụ thuộc vào điều kiện cố định ống lót xilanh
-
c
Nhiệt dung riêng của vật liệu
J/kg.K
D
Đường kính xilanh

Pa
"
p
k

Áp suất khí cháy phía dưới đỉnh pittông
Pa
p
j
Lực quán tính của K.lượng chuyển động tịnh tiến
N
p
k
Lực khí thể tác dụng lên đỉnh pittôn
N

Góc quay của trục khuỷu trục so với đường tâm xilanh
Độ

Góc nghiêng của đường tâm thanh truyền so với
đường tâm xi lanh
Độ

Hệ số kết cấu
-

Tốc độ góc của trục khuỷu
Rad
, e
b
10
Hình 2.1: Kết cấu pittông động cơ D6 18
Hình 2.2: Kết cấu xilanh động cơ D6 19
Hình 2.3: Mô hình tương tác giữa thân pittông và thành xilanh 20
Hình 2.4: Xilanh được rời rạc hoá bằng PTHH với các phần tử chữ
nhật-Phần tử chữ nhật kết cấu xilanh trên nền đàn hồi 22
Hình 2.5: Tương tác giữa thân pittông với phần tử kết cấu xilanh 23
Hình 3.1: Mặt cắt ngang động cơ D6 30
Hình 3.2: Bố trí động cơ D6 trong khoang động truyền lực trên xe 31
tăng T-76.
Hình 3.3: Sơ đồ khối giải bài toán kỹ thuật bằng phần mềm ANSYS 35
Hình 3.4: Ứng dụng GT-Power trong mô phỏng quá trình cháy 42
Hình 3.5: Ứng dụng GT-Power trong tính toán nhiệt 42
Hình 3.6: Ứng dụng GT-Power trong mô phỏng hệ thống nạp, xả 42
của động cơ (mô phỏng 1D-3D).
Hình 3.7: Ứng dụng GT-Power trong lựa chọn cụm tuabin - máy 42
nén cho động cơ khi tăng áp theo phương pháp tuabin - máy nén.
Hình 3.8: Mô hình tính toán nhiệt động động cơ khảo sát 45
Hình 3.9: Nhiệt độ môi chất công tác trong xilanh số 1 51
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 3.10: Nhiệt độ môi chất công tác trong xilanh số 2 51
Hình 3.11: Nhiệt độ môi chất công tác trong xilanh số 3 51
Hình 3.12: Nhiệt độ môi chất công tác trong xilanh số 4 51
Hình 3.13: Nhiệt độ môi chất công tác trong xilanh số 5 52
Hình 3.14: Nhiệt độ môi chất công tác trong xilanh số 6 52
Hình 3.15: Áp suất khí cháy trong xilanh số 1 52
Hình 3.16: Áp suất khí cháy trong xilanh số 2 52

Hình 3.37: Phân bố ứng suất chính (Von Mises Stress) pittông 67

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

1
MỞ ĐẦU

Cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền hiện đã được thừa nhận là một trong những
cơ cấu có mức rung động và tiếng ồn khá cao. Nhiều công trình nghiên cứu đã
được thực hiện trong lĩnh vực động lực học, với mục đích giảm sự rung động của cơ
cấu, để bảo đảm sự làm việc êm dịu của động cơ.
Lực tương tác gây ra bởi sự va đập của pittông với thành xilanh là một trong
những nguồn ồn cơ khí chính của động cơ điêzen. Đặc biệt, ngày nay vấn đề cường
hoá cho động cơ là hết sức cần thiết, một trong những biện pháp được coi là tối ưu
nhất là dùng biện pháp tăng áp cho động cơ. Đây chính là tính thực tiễn và cấp thiết
của đề tài.
Chính vì vậy tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu sự tương tác và biến
dạng của cặp pittông - xilanh động cơ đốt trong khi tăng áp” làm đề tài luận văn
cao học.
Mục đích của đề tài được thể hiễn rõ qua tên đề tài là nghiên cứu sự tương
tác và biến dạng của cặp pittông - xilanh động cơ đốt trong khi tăng áp, trên cơ sở

Trong thời gian gần đây, do có tiến bộ nhanh về kỹ thuật tua bin và máy nén
nên phạm vi sử dụng tăng áp ngày một mở rộng và áp suất tăng áp p
k
ngày một
nâng cao làm cho không những tăng tính năng động lực học của động cơ tốt hơn
động cơ không tăng áp mà còn hạ thấp suất tiêu hao nhiên liệu.
Nếu áp suất trung bình của động cơ điêzen không tăng áp p
e
thường không
quá 0,7 - 0,9 Mpa thì p
e
của động cơ điêden tăng áp thấp nhất cũng đạt 1-1,2 Mpa,
nếu nâng cao áp suất p
k
và làm lạnh trung gian cho không khí phía sau máy nén, đã
có thể đưa áp suất có ích trung bình p
e
của động cơ thực nghiệm tới 4 Mpa, còn
nhiều động cơ tăng áp đang chế tạo hiện nay đã đạt p
e
3 Mpa.
1.1.2. Các phương pháp tăng áp chủ yếu:
Dựa vào nguồn năng lượng để nén không khí trước khi đưa vào động cơ,
người ta chia các phương pháp tăng áp thành bốn nhóm sau đây: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 1.1: Tăng áp dẫn động cơ khí
1- Máy nén ; 2 - Hệ thống truyền
động ; 3- làm mát trung gian ;
4- bộ chế hòa khí; 5 - xăng
Hình 1.2: Các phương pháp tăng áp tua bin
khí [10]
a) Phương pháp tăng áp động cơ điêden
b),c) Phương pháp tăng áp động cơ xăng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

4
không tăng áp, vì vậy phương án này thường được dùng rộng rãi trên vùng cao
nhằm hồi phục công suất động cơ. Mặt khác tăng áp tua bin khí còn tạo điều kiện
giảm ồn, giảm thành phần độc hại trong không khí xả, do đó loại này đang được sử
dụng nhiều nhất hiện nay. Những động cơ điêzen từ 35 KW - 3500 KW phần lớn
chiếm khoảng 70 -80% dùng tăng áp tua bin khí .
Tăng áp bằng sóng khí:
Khí thải của động cơ tiếp xúc trực tiếp với không khí trên đường tới xi lanh,
trong bộ tăng áp bằng sóng khí, để nén số không khí này trước khi được nạp vào
động cơ.
1.1.2.3. Tăng áp hỗn hợp :
Trên một số động cơ, ngoài phần tăng áp tua bin khí còn dùng thêm một bộ
tăng áp dẫn động cơ khí. Ví dụ trên động cơ hai kỳ, để có áp suất khí quét cần thiết
khi khởi động cũng như chạy ở tốc độ thấp và tải nhỏ, phải sử dụng tăng áp hỗn
hợp. Tăng áp hỗn hợp được thực hiện theo hai phương án Lắp nối tiếp như trên hình
1.3 và lắp song song như trên hình 1.4
e
và g
e
là do sự thay đổi của hiệu suất cơ giới 
m
sau khi tăng áp gây
ra. Tính chất thay đổi của hiệu suất cơ giới 
m
sau khi tăng áp chủ yếu phụ thuộc
vào hệ thống tăng áp. Ta đều biết công suất tổn thất của động cơ N
m
rất ít phụ thuộc
vào phụ tải mà chủ yếu phụ thuộc vào số vòng quay của dộng cơ, vì vậy có thể giả
thiết gần đúng rằng: sau khi tăng áp nếu số vòng quay n của động cơ vẫn giữ
nguyên không đổi thì công suất tổn thất cơ giới của động cơ sẽ có giá trị giống như
trường hợp chưa tăng áp 
mT
được tính như sau:
TKmeT
eT
iT
eT
iT
eT
mT
NNNN
N
N
N
p

e
và n
e
là áp suất có ích trung bình và công suất có ích của động cơ chưa tăng áp)
và gọi
i
K
K
N
N

'

và
i
T
T
N
N

'

công suất tương đối của máy nén khí và tuốc bin khí
so với công suất chỉ thị của động cơ chưa tăng áp, chia cả tử và mẫu cho biểu thức
1-4 cho N
i
ta được
 
''
11

11 

Tm
mT
mT



(1.3)
Qua công thức (1.3) ta thấy khi dùng biện pháp tăng áp bằng thiết bị máy nén
tuốc bin khi quay tự do đã làm cho hiệu suất cơ giới 
mT
tăng lên rõ rệt.
Trong trường hợp tăng áp tuốc bin khí có liên hệ cơ giới hoặc thủy lực hoặc
trường hợp tăng áp hỗn hợp, thì hiệu suất cơ giới của toàn bộ thiết bị sau khi tăng áp
sẽ là:
TKmđ
iT
TKeT
mT
N
NNN




(1.4)
Trong đó : 
K
và 


7
1.2.1. Mô hình không có khe hở và không có sự tương tác.
Mô hình này được xây dựng để khảo sát bài toán động học và động lực
học cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền với giả thiết giữa pittông và xilanh không có
khe hở, pittông và xilanh có độ cứng tuyệt đối, không có sự biến dạng trong quá
trình làm việc (hình 1.5).
x
'
K
p
''
K
N
P
1
T
K
Z
y
0
K
p
A


B

O


y
= R.
2
.E, (1.6)
trong đó:
E =




3
2
cos
cos.
cos
)cos(



Các công thức (1.1) và (1.2) là công thức chính xác để tính S
y
và J
y
.
Trong thực tế tính toán, người ta thường tính theo công thức gần đúng:
S
y
 R[(1- cos) +
4


p
k

p
k
=
'
p
k
-
"
p
k

Hợp lực
1
P
của các lực
p
k
và
j
P
tác dụng lên pittông và đặt tại trọng tâm của khối
lượng chuyển động tịnh tiến (điểm A hình 1.5) và được phân thành 2 thành phần:
Lực vuông góc với đường tâm xilanh:
N =
1
P
.tg (1.10

= T.R mômen này
sẽ cân bằng với mômen cản đặt trên trục khuỷu và làm thay đổi tốc độ góc của trục.
Lực ngang N tác dụng lên thân pittông, tạo ra mômen lật M
L
= N.H, tác dụng lên bệ
động cơ, gây ra rung động và mất cân bằng.
1.2.2. Mô hình có khe hở, không tương tác.
Như đã trình bày ở trên, để pittông có thể dịch chuyển bên trong xilanh, giữa
pittông và xilanh bao giờ cũng có khe hở. Dưới tác dụng của lực ngang N sẽ làm
cho thân pittông dịch chuyển theo phương ngang trong khe hở giữa pittông và
xilanh. Mặt khác do đặc điểm kết cấu và phương án lắp ghép giữa pittông với chốt
pittông và đầu nhỏ thanh truyền mà thân pittông còn thực hiện chuyển động “lắc”
xung quay tâm chốt pittông. Như vậy ngoài chuyển động chính (chuyển động tịnh
tiến dọc theo đường tâm xilanh), thân pittông còn tham gia 2 chuyển động phụ và
chuyển động của thân pittông sẽ có 3 bậc tự do. (hình 1.7)

Hình 1.6: Chuyển động của pittông trong khe hở giữa pittông – xilanh [7].
Để đặc trưng cho các chuyển vị ngang của thân pittông người ta sử dụng hai
toạ độ suy rộng là e
t
và e
b
, mô tả dịch chuyển ngang của các mặt phẳng phía trên của
thân pittông (mặt AD) và mặt phẳng phía dưới của thân pittông (mặt BC). (hình 1.7)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

10

Hình 1.7: Lực, mômen tác dụng lên pittông và chuyển động của pittông theo

p
p
ba
mm
HH
I
b
m a b
HH





  


 

e
e
t
e
b







a, b, H - các kích thước hình học của pittông (hình 1.3);
m
p
, m
C
- khối lượng của pittông, chốt pittông;
I
P
- mômen quán tính của khối lượng pittông so với khối tâm của pittông;
[m
pt
] =
(1 ) (1 )
( )(1 )
pc
P
p
ba
mm
HH
I
b
m a b
HH

  



  




- ma trận véc tơ gia tốc của các toạ độ suy rộng của thân pittông;
{F
pt
}- ma trận véc tơ lực tác dụng lên pittông.
1.2.3. Mô hình có khe hở, có tương tác.
Phương trình (1.14) là phương trình vi phân mô tả chuyển động phụ của thân
pittông khi có khe hở và không tương tác. Để mô tả chuyển động phụ của thân
pittông khi có tương tác phải bổ sung vào phương trình (1.14) lực tương tác giữa
pittông và xilanh. Mô hình khảo sát chuyển động phụ được xây dựng trên các giả
thiết sau:
- Pittông chuyển động với 3 bậc tự do. Chuyển vị của pittông theo phương đường
tâm xilanh được xác định theo phương trình (1.5) hoặc (1.7). Chuyển vị của thân
pittông theo phương ngang được tính toán theo toạ độ suy rộng e
t
và e
b
tương ứng
với các mặt phẳng ngang của thân pittông.
- Xilanh có kết cấu vỏ trụ mỏng, được định vị trong thân máy bằng vành vai tựa. Bỏ
qua sự biến dạng của các vành vai tựa khi làm việc.
- Màng dầu bôi trơn trong khe hở giữa pittông và xilanh là môi trường trung gian
truyền lực tương tác giữa pittông và xilanh. Chuyển động phụ của thân pittông gây
ra va đập giữa pittông và xilanh.
Phương trình vi phân mô tả chuyển động phụ của thân pittông khi có tương tác
được biểu diễn dưới dạng ma trận [6], [7], [12]:
(1 ) (1 )
( )(1 )






  


 

e
e
t
e
b








=
 
1
.
.
pt
N S f N

iN
= F
đh
+ F
C
= - 
S
[K
d
(l
t
- X
D
)] - C
d
(
eX
t
D


) (1.16)
Nếu điểm tiếp xúc là điểm trên ở mặt tiếp xúc dưới của thân (điểm C)
F
iN
= F
đh
+ F
C
= - 

D

, X
C
,
X
C

- chuyển vị ngang và vận tốc chuyển vị ngang của các
điểm D, C
- 
S
- hệ số đặc trưng cho điều kiện làm việc (khi có va đập 
S
= 1; khi không
có va đập 
S
= 0).
Trong những năm gần đây đã có nhiều công trình khoa học được công bố về
sự ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu và sử dụng đến sự tương tác giữa pittông và
xilanh và ảnh hưởng của nó đến mức độ rung động, tiếng ồn và tuổi thọ của ống lót
xilanh. Trong các yếu tố về kết cấu, trước hết phải kể đến ảnh hưởng của độ lệch
tâm chốt pittông, vị trí trọng tâm pittông và khe hở giữa pittông và xilanh [12].
Khe hở lắp ghép giữa pittông và xilanh được chọn theo nhiệt độ ban đầu khi
tính toán thiết kế T
0
= 15
o
C. Khi động cơ làm việc, các chi tiết pittông và xilanh
động cơ bị nung nóng và gây nên sự giãn nở dài vì nhiệt của vật liệu, làm cho khe

gây ra dao động động cơ.
Năm 2001, Chu Văn Đạt ứng dụng mô hình siêu phần tử phẳng nghiên cứu
động lực học cơ cấu tay quay con trượt có xét đến biến dạng đàn hồi của thành
truyền, phương pháp PTHH được áp dụng để thiết lập các phương trình chuyển
động của cơ cấu. Thuật toán được thiết lập và sử dụng ngôn ngữ lập trình C
++
để
giải bài toán. Kết quả nhận được ở dạng số và đồ thị là các thông số động lực học
của cơ cấu tay quay con trượt như các thông số : vị trí, vận tốc, gia tốc của các
khâu, lực liên kết tại các khớp, chuyển dịch của các điểm do biến dạng của các điểm
thuộc thanh truyền đàn hồi. Phần mềm Alaska version 2.3 được ứng dụng để mô
phỏng động lực học cơ cấu tay quay con trượt trong quá trình nghiên cứu để minh
chứng cho kết quả tính toán lý thuyết nêu trên. Tác giả nhận xét rằng, trong một số

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

14
trường hợp biến dạng đàn hồi của một số khâu trong quá trình tính toán thiết kế máy
và cơ cấu là không thể bỏ qua.
Năm 2005, Nguyễn Văn Đạt Trường Đại học thuỷ sản Nha Trang nghiên cứu
dao động của tấm sàn composit cố định động cơ tàu thuỷ từ các nguồn kích thích
trong động cơ như : các cơ cấu, cụm pittông-thanh truyền-tay quay. Đề xuất các
phương án giảm rung cho sàn động cơ. Sử dụng phương pháp PTHH rời rạc hoá kết
cấu tấm sàn động cơ, tải trọng tác dụng lên tấm là các nguồn kích thích từ động cơ
như đã nêu, thuật toán và chương trình tính toán được giải thích bằng số trên máy
tính. Kết quả nhận được là dao động của sàn composit. Khuyến nghị một số giải
pháp giảm rung cho sàn cố định động cơ.
Năm 2009, ThS. Lê Trường Sơn, PGS.TS. Trần Minh, PGS.TS. Hà Quang
Minh [8] nghiên cứu ảnh hưởng của khe hở đến sự tương tác của cụm pittông -
xilanh động cơ.

tác giữa chúng được phát triển mạnh vào những năm 90 của thế kỷ trước, do sự phát
triển của động cơ cao tốc, công suất trên một đơn vị công tác lớn và trọng lượng
nhẹ. Đã có nhiều công trình được công bố với những mô hình khác nhau. Mỗi mô
hình đều chấp nhận những giả thiết nhất định và đáp ứng các mục đích nghiên cứu
riêng lẻ của từng tác giả và mang tính chất công bố nên không có được các thuật
toán chi tiết, và được tạm chia theo ba mô hình đã nêu. Tuy nhiên, với mô hình
tương tác, hầu hết các nghiên cứu lý thuyết đều mô hình hoá dao động ngang của
cụm pittông - xilanh bằng các mô hình tương đương, chưa có lực thực của pittông
đặt lên thành xilanh.
 Dựa trên mô hình có khe hở và không tương tác, tác giả phát triển mô hình tính
toán tương tác bằng việc bổ sung lực tương tác giữa chúng thông qua môi trường
trung gian là màng dầu, xilanh coi là vỏ trụ mỏng kết cấu đàn hồi tuyến tính.
 Như chúng ta đã biết, sau khi nâng cao công suất của động cơ, một trong những
việc cần quan tâm nhất là sự tương tác và biến dạng của cặp pittông - xilanh như thế
nào? Đây chính là nội dung mà luận văn tập trung giải quyết.
 Với những kết luận rút ra ở trên, trong nội dung luận văn của mình tác giả tập
trung giải quyết những vấn đề sau: Đó là với sự tăng áp cho động cơ như vậy, nhiệt
độ môi chất có thay đổi không? Với nhiệt độ khí cháy thì khe hở giữa pittông và
xilanh thay đổi thế nào trong quá trình làm việc? Áp suất trong xilanh trước và sau

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

16
tăng áp chênh lệch nhau nhiều không? Nếu chênh lệch nhiều thì pittông và xilanh
biến dạng ra sao? Trạng thái ứng suất còn nằm trong giới hạn cho phép của vật liệu
không?
Những nội dung này sẽ được tác giả giải quyết trong các chương tiếp theo của luận
văn.
1.5. Bố cục của luận văn.
Luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận gồm 4 chương: