Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

KHẢO SÁT TRẠNG THÁI NHIỆT CỦA ỐNG LÓT XY LANH
ĐỘNG CƠ DRA-210B
THE EVALUATION OF THE THERMAL STATE OF THE CYLINDER LINER
DIESEL ENGINE DRA-210B
KS. Phạm Văn Toanh1a, KS. Phùng Văn Được1b, PGS.TS Đào Trọng Thắng1c
1
Học viện Kỹ thuật quân sự, Hà Nội, Việt Nam
a
b
, ,

TÓM TẮT
Ống lót xy lanh là một chi tiết quan trọng, có điều kiện làm việc nặng, chịu ứng suất lớn
trong động cơ khi làm việc. Nhằm tăng khả năng làm mát, giảm ứng suất nhiệt cho ống lót xy
lanh động cơ DRA-210B, nhà máy chế tạo (Công ty cổ phần “Ngôi sao” - ОАО “Звезда”,
Nga) đã đưa ra giải pháp làm các rãnh dẫn nước trên ống lót xy lanh. Bài báo trình bày việc
ứng dụng phần mềm ANSYS Workbench để khảo sát trạng thái nhiệt của ống lót xy lanh động
cơ DRA-210B, làm cơ sở cho việc đánh giá hiệu quả của giải pháp nêu trên.
Từ khóa: ống lót xy lanh, diesel, trường nhiệt độ, trạng thái nhiệt, ANSYS Workbench

ABSTRACT
Cylinder liner is an important detail in diesel engine. In order to increase the cooling
capacity, reduce thermal stress for the cylinder liner of engine DRA-210B, manufacturing
plant (Joint-Stock Company "ZVEZDA", Russia) has a solution made canal waterway on the
cylinder liner. This paper presents the application of ANSYS Workbench to calculate thermal
state of the cylinder liner engine DRA-210B, as a basis for evaluating the effectiveness of the
solutions above.
Keywords: cylinder liner, diesel, temperature field, thermal state, ANSYS Workbench


Giá trị

Kiểu động cơ

-

Diesel

Số kỳ

-

4

Số xy lanh

-

12

Bố trí

-

chữ V

độ

60


Thân chính
197

φ180

107

41

345

Vỏ ngoài

a/

b/
Hình 2:.Hình vẽ mặt cắt
dọc (a) và ngang (b) của
ống lót xy lanh động cơ
DRA-210B

Áp suất khí nạp

Ống lót xy lanh của động cơ
DRA-210B (hình 2) có kết cấu đặc
biệt, phần thân chính được làm bằng
thép hợp kim 38XMЮA, phần vỏ
ngoài được làm thép cacbon 45 và ép
căng trên toàn bộ bề mặt ngoài của
phần thân chính. Giữa hai phần nêu

DRA-210B là chi tiết có tính đối xứng
tròn xoay qua đường tâm xy lanh cả
về mặt hình học và chịu tải, bỏ qua các
góc lượn, góc vát và rãnh của các đệm
làm kín ở phía dưới ống lót. Mô hình
hình học là cơ sở để xây dựng mô
hình phần tử hữu hạn, chia lưới, chọn
phần tử. Các thuộc tính của vật liệu
chế tạo ống lót xy lanh động cơ DRA210B là thép hợp kim 38XMЮA
được chọn theo [7].

a/

b/

Hình 3. Mô hình hình học ống lót xy lanh
a/ Mô hình có thể hiện các rãnh dẫn nước làm mát
b/ Mô hình ống lót xy lanh toàn bộ

3.2. Thiết lập mô hình tính toán, xác định các điều kiện biên
Chế độ tính toán được chọn là chế độ công suất định mức của động cơ tại tốc độ
1500v/ph. Trong quá trình động cơ làm việc, đối với ống lót xy lanh xảy ra đồng thời các quá
trình trao đổi nhiệt sau [2, 4]: Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu giữa môi chất công tác với mặt
gương xy lanh; trao đổi nhiệt bức xạ của khí cháy với mặt gương xy lanh; dẫn nhiệt tiếp xúc
động giữa xéc măng với mặt gương xy lanh; dẫn nhiệt giữa mặt lưng ống lót xy lanh với khối
thân xy lanh; trao đổi nhiệt đối lưu giữa thành ngoài ống lót với nước làm mát.
Khi tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn [1] thì một nội dung quan trọng là
phải xác định các điều kiện biên. Đối với bài toán đang xét, đó là: Biên trao đổi nhiệt giữa bề
mặt gương xy lanh với hỗn hợp khí cháy trong buồng cháy; biên trao đổi nhiệt giữa bề mặt
gương xy lanh và pít tông; biên trao đổi nhiệt giữa thành ngoài phần thân chính với nước làm


−0,53



V .T
. C1.cm + C2 h 1 . ( p − p0 ) 
V1 p1



0,8

W m 2 .K 

(1)

Trong đó: D - đường kính xy lanh, [m]; p - áp suất của môi chất trong buồng cháy, [Pa];
T - nhiệt độ của môi chất trong buồng cháy, [K]; C 1 = 2,28 + 0,308.C u /c m ; C 2 = 0,00324 đối
với động cơ buồng cháy thống nhất; c m - tốc độ trung bình của pít tông, [m/s]; C u - tốc độ
xoáy lốc của hỗn hợp không khí trong buồng cháy, [m/s]; V h - thể tích công tác của xy lanh,
[m3]; p 1, V1, T1 - các thông số của hỗn hợp môi chất khi đóng xu páp nạp; p0 - áp suất trong
buồng cháy khi bị nén không có quá trình cháy, [Pa];
Từ các giá trị hệ số trao đổi nhiệt tức thời, hệ số trao đổi nhiệt trung bình và nhiệt độ
trung bình cho toàn bộ quá trình được xác định như sau:

1
αΣ =
720


đến khi pít tông ở điểm chết dưới ϕ = 540o, S = 200 mm. Hệ số trao đổi nhiệt αΣ5 và nhiệt độ T Σ5 .
Để tính toán được nhiệt lượng truyền cho ống lót xy lanh, cần xác định nhiệt độ của môi
chất trong xy lanh thông qua việc tính toán chu trình công tác của động cơ. Điều này được thực
hiện bằng phần mềm Diesel-RK của Đại học Tổng hợp kỹ thuật quốc gia Bauman (Liên bang
Nga), ở chế độ định mức n=1500 v/ph. Kết quả tính toán trong Diesel-RK cho biết diễn biến áp
suất, nhiệt độ (hình 4) và hệ số truyền nhiệt đối lưu α g của khí thể (Hình 5) trong xy lanh. Đây
là các dữ liệu phục vụ cho việc tính toán trạng thái nhiệt.
bar

K

gqtk

gqtk

Hình 4. Đồ thị diễn biến áp suất và nhiệt độ trong xy lanh động cơ DRA-210B

312


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Dựa vào kết quả tính toán và
bằng phương pháp tích phân đồ thị ta
xác định được các giá trị:

K

720

1

phức tạp và khó để xác định một cách chính xác. Vì vậy có thể chọn gần đúng các giá trị như
W m 2 .K  ; T7 333 [ K ] ;
sau [3]: α 7 200
=
=
c) Điều kiện biên trao đổi nhiệt giữa thành ngoài phần thân chính của ống lót với
nước làm mát.
Quá trình trao đổi nhiệt giữa thành ngoài ống lót xy lanh với nước làm mát là quá trình
trao đổi nhiệt đối lưu. Quá trình này bao gồm trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên và trao đổi nhiệt
đối lưu cưỡng bức. Khi động cơ làm việc, nước làm mát liên tục được chảy trong các rãnh và
đường ống tạo thành một vòng tuần hoàn kín dưới tác dụng của bơm nước, do đó các quá
trình trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên là không đáng kể.
Ta coi nước chuyển động trong các rãnh làm mát của ống lót giống như nước chuyển
động cưỡng bức trong đường ống có tiết diện tương đương. Đối với ống lót xy lanh động cơ
DRA - 210B, các rãnh có đường kính tương đương là 9 mm, chiều dài của rãnh là 380 mm.
l 380
Với= = 42, 2 < 50 có thể coi tốc độ dòng nước ω trong rãnh không thay đổi, tỏa nhiệt
d
9
đối lưu ổn định với hệ số tỏa nhiệt α không thay đổi.
Thực nghiệm về tỏa nhiệt đối lưu khi chất chảy chuyển động cưỡng bức trong ống được
tiến hành trong miền dòng chảy ổn định và được xác định theo tiêu chuẩn Nucen [3]. Khi
0,25
Pr f 
0,8
0,43 
4
(3)
chảy rối với R e > 10 thì Nu = 0, 021Re f Pr f 


Bảng 2. Nhiệt độ và hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của các đoạn
trên rãnh dẫn nước làm mát
1
2
3
4
5

6

α, [W/m2.K]

2853

2853

4463,8

2853

2853

2853

T m , [K]

342,3

351,8


bao quanh ống lót, giá trị của hệ số trao đổi nhiệt giữa thành ngoài ống lót với nước làm mát.

314


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

a/

b/

Hình 6. Mô hình trao đổi nhiệt tại mô hình 1/15 ống lót xy lanh
a/ Phía trong; b/ Phía ngoài ống lót xy lanh
3.3. Các kết quả tính trong ANSYS
Sau khi đã có mô hình hình học, mô hình phần tử hữu hạn (chia lưới với phần tử kiểu
SOLID) và đặt các điều kiện biên được xác định như đã trình bày ở trên, phần mềm ANSYS
Workbench đã cho các kết quả được trình bày trên các hình từ hình 7 đến hình 9.

a/

b/

Hình 7. Kết quả tính trường nhiệt độ của cả (a) và một nửa (b) ống lót xy lanh
ở trường hợp có rãnh dẫn nước làm mát

a/

b/

Hình 8. Kết quả tính trường nhiệt độ tại bề mặt trong (a) và ngoài (b) của 1/15 ống lót xy lanh

đường kính d=180 và d=184 mm
sánh nhiệt độ của thành ống lót tại đường kính
d=180 và d=184mm theo 2 trường hợp: có rãnh và không có rãnh dẫn nước làm mát.
Qua kết quả tính toán trên đồ thị hình 11 có thể thấy, ở phần từ khoảng độ cao
h=200mm trở lên đến mép trên của ống lót thì diễn biến thay đổi nhiệt độ của thành ống lót
trong hai trường hợp là khá giống nhau. Nhưng từ khoảng độ cao này trở xuống đến độ cao
cách mép dưới ống lót 50mm thì có sự khác biệt khá rõ về nhiệt độ: nhiệt độ tại thành ống lót
trong trường hợp không có rãnh dẫn nước làm mát sẽ cao hơn so với trường hợp có rãnh.
Chênh lệch nhiệt độ lớn nhất tại cùng một độ cao trên thành ống lót của 2 trường hợp tính tại
vùng này đạt khoảng 75÷80 K.
h [mm]

h [mm]

T [K]

a/

T [K]

b/
Hình 11. Nhiệt độ ống lót xy lanh tại các đường kính d=180 (a/) và d=184 mm (b/)
khi ống lót có rãnh và khi ống lót không có rãnh dẫn nước làm mát
316


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
4. KẾT LUẬN
Phần mềm ANSYS Workbench là một công cụ hữu hiệu để nghiên cứu, khảo sát trạng
thái làm việc của các chi tiết động cơ đốt trong. Trên cơ sở ứng dụng, phần mềm này đã tính

Изд. Tpaнспорт. Moc.1969.
[7] Цветные металлы и сплавы. Справочник. Новгород. 2001.
THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ
1.

KS Phạm Văn Toanh. Học viện Kỹ thuật quân sự, Hà Nội, Việt Nam.
Điện thoại 0974.001.309.

2.

KS Phùng Văn Được. Học viện Kỹ thuật quân sự, Hà Nội, Việt Nam.
Điện thoại 0974.230.974.

3.

PGS.TS. Đào Trọng Thắng. Học viện Kỹ thuật quân sự, Hà Nội, Việt Nam.
Điện thoại 0904.227.407.
317