Thiết kế môn học

Thiết kế môn học
diesel
Đề bài:
Thiết kế động cơ Diesel công suet 176 KW .Động cơ mẫu 8L160PN có các thông số kỹ
thuật sau :
Mác động cơ : 8L160PN
Nớc,hãng sản suất : SOKADA (Tiệp)
Công suất : 176(kW)
Vòng quay (v/p) : n = 750
Đờng kính xilanh(mm) : D =160
Hành trình piston(mm) : S =225
Số xi lanh : i = 8
Động cơ mẫu 8L160 là động cơ 4 kỳ ,Tăng áp bằng tubin khí xả.
Họ và tên: Đinh Văn Thuỷ Trang: 1
Lớp: DHT47-1
Thiết kế môn học
Mở Đầu
1. Tính thời sự của đề tài.
Sự phát triển của ngành giao thông vận tải đánh giá tốc độ tăng trởng và phát triển nền kinh tế
quốc gia. Vì vậy, giao thông vận tải giữ một vai trò cực kì quan trọng. Trong bối cảnh đất nớc ta hiện
nay, giao thông vận tải càng khẳng định vai trò của nó và đang phát triển không ngừng, hoà chung
với sự phát triển đó ngành vận tải thuỷ cũng đã và đang khặng định mình bằng những đội tàu lớn và
hiện đại.
Trên đa số các con tàu vợt đại dơng cũng nh các tuyến trong nớc, động cơ Diezel vẫn đang đợc sử
dụng làm động cơ chính và việc khai thác hệ động lực tàu thủy đã áp dụng nhiều thành tựu khoa học
kỹ thuật. Ngày nay công nghiệp đóng tàu phát triển một cách nhảy vọt. Tuy nhiên phần lớn các động
cơ Diezel đều nhập từ nớc ngoài, để đặt nền móng cho nghành công nghiệp chế tạo động cơ Diesel
thì việc thiết kế một động cỏ để đặt đợc các chỉ tiêu về kinh tế, kỹ thuật là vô cùng quan trọng.
Trờng Đại Học Hàng Hải Việt Nam là một trờng chuyên nghiệp đào tạo một bộ phận kỹ s

Nớc-hãng sản xuất SOKADA (Tiệp)
Công suất [ Kw ] [ 176 ]
Vòng quay : n ( v/ph ) 750 ( v/ph )
Đờng kính xy lanh : D ( mm ) 160 ( mm )
Hành trình pittông : S ( mm ) 225 ( mm )
Số xilanh: i 8
Ghi chú Động cơ 4 kì , tăng áp bằng tubin khí xả

Họ và tên: Đinh Văn Thuỷ Trang: 3
Lớp: DHT47-1
Thiết kế môn học
Phần I tính thông số ban đầu cho động cơ điesel
1.1, Cơ sở lý thuyết mô phỏng chu trình công tác của động cơ Diesel theo phơng pháp cân bằng
năng lợng.
Chu trình công tác của động cơ Diesel hoàn thành sau hai vòng quay của trục khuỷu đối với động
cơ 4 kì và hoàn thành sau một vòng quay của trục khuỷu đối với động cơ 2 kì. Tuy nhiên trong một
chu trình công tác cả hai loại động cơ đều phải thực hiên các quá trình là nạp, nén, nổ, xả. Để chọn
phơng án thiết kế, để khi chế tạo, cũng nh trong quá trình khai thác đều phải tính chu trình công tác
của nó. Để xác định mối quan hệ giữa các thông số của chu trình công tác của động cơ thì phải tính
chu trình công tác. Việc tính chu trình công tác có thể tính theo phơng pháp cổ điển hoặc phơng pháp
mới. Để lựa chọn phơng pháp tính cần phải đánh giá các phơng pháp đó.
1.2, Đánh giá phơng pháp cổ điển tính chu trình công tác của động cơ Diesel.
Để tính chu trình công tác của động cơ cần nghiên cứu, tính toán các quá trình công tác : nạp,
nén, cháy, giãn nở trên cơ sở nhiệm vụ th thiết kế và động cơ mẫu lựa chọn. Sau khi tính các quá
trình sẽ xác định đợc thông số môi chất tại các điểm đặc trng. Trong quá trình tính chu trình sẽ lựa
chọn đợc các hệ số, các chỉ số đặc trng cho chu trình phụ thuộc vào loại động cơ thiết kế. Dựa vào
kết quả tính toán xây dựng đồ thị công chỉ thị, đây là công đoạn chủ yếu để xác định các thông số
chỉ thị và có ích của động cơ .
Theo phơng pháp cổ điển, để tính chu trình công tác của động cơ cần phải giả thiết quá trình nén
và giãn nở đa biến với chỉ số đa biến trung bình trong quá trình nén và giãn nở là n

12
2





+


=

nn
a
ai
nn
pp





Họ và tên: Đinh Văn Thuỷ Trang: 4
Lớp: DHT47-1
Thiết kế môn học
Từ công thức trên ta thấy rõ, để xác định
i
p

cần phải chọn hoặc tính gần đúng các thông số:

các thông số chủ yếu của quá trình công tác của động cơ theo góc quay trục khuỷu, phụ thuộc vào
động lực học toả nhiệt, trao đổi nhiệt với thành xilanh và các thông số điều chỉnh. Vì vậy, phải soạn
thảo mô hình toán học mà quá trình công tác cho phép tính đến các yếu tố này và cho phép đánh giá
ảnh hởng của chúng đến đặc tính diễn biến của quá trình công tác, tính kinh tế và tính tin cậy công
tác của động cơ. Mô hình toán học các quá trình công tác của động cơ là hệ các phơng trình vi phân
Họ và tên: Đinh Văn Thuỷ Trang: 5
Lớp: DHT47-1
Thiết kế môn học
khép kín. Khi các điều kiện ban đầu và điều kiện biên đã cho, đối với thời điểm bất kì của chu trình
hệ phơng trình này cũng mô tả mối quan hệ giữa đặc tính thay đổi các thông số quá trình công tác
với sự thay đổi năng lợng, khối lợng và các thông số kết cấu của động cơ .
Hiện nay hai phơng pháp tính quá trình công tác của động cơ đốt trong đợc sử dụng rộng rãi : Ph-
ơng pháp cân bằng thể tích do H.M.Glagolev thiết lập và phơng pháp cân bằng năng lợng do
B.M.Gôntrar thiết lập.
Trong đề tài sử dụng phơng pháp cân bằng năng lợng để nghiên cứu. Để áp dụng phơng pháp này
phải giả thiết môi chất trong thể tích công tác của xilanh tại thời điểm bất kỳ đều ở trạng thái cân
bằng, nghĩa là một hệ thống nhiệt cân bằng.
Nếu bỏ sự rò lọt môi chất qua xécmăng trong quá trình nén và giãn nở thì hệ thống nhiệt động là hệ
kín .
Nh vậy, với phơng pháp này thì môi chất trong thể tích làm việc của xilanh trong các quá trình
của chu trình luôn luôn tuân theo định luật nhiệt động thứ nhất : nhiệt lợng cấp cho chu trình dùng để
thay đổi năng lợng và sinh công. Dới đây ta xét phơng trình cân bằng năng lợng của môi chất trong
thể tích làm việc của xilanh trong quá trình nén, cháy và giãn nở.
Phơng trình cân bằng năng lợng của môi chất đợc biểu diễn qua công thức:


d
dL
d
dU

0
đến 540
0
),rad.
Từ sự phụ thuộc nhiệt động học đã biết có thể tính biến thiên nôi năng của môi chất theo công
thức sau :
Họ và tên: Đinh Văn Thuỷ Trang: 6
Lớp: DHT47-1
Thiết kế môn học


d
dm
u
d
dT
Cm
d
dU
v
+=
(2.2)
Độ thay đổi công tính theo công thức :


d
dV
p
d
dL


d
dT
vmcm
d
dU
vrrvkk
).( +=
(2.5)
C
v
=a+b.T: nhiệt dung riêng của không khí , a=19,88 ; b=0,00275 .
C
vr
=a+b.T: nhiệt dung riêng của sản vật cháy sạch , a=21,81 ;
b= 0,003853 .
Phần lớn thời gian của quá trình nén các chi tiết tiếp súc với môi chất công tác truyền nhiệt cho
môi chất, nhiệt lợng này có thể tính theo công thức :
Họ và tên: Đinh Văn Thuỷ Trang: 7
Lớp: DHT47-1
Thiết kế môn học




d
d
FTTa
d
dQ

nd
d
.6
1
=


nên .

n
F
TTa
d
dQ
d
dQ
vx
kcvxvk
w
.6
) ( ==

(2.7)
b). Sự thay đổi các thông số môi chất trong quá trình cháy.
Quá trình cháy bắt đầu khi góc quay trục khuỷu

bằng góc bắt đầu cháy nhiên liệu

, góc
đợc xác định:



d
dx
: Tốc độ cháy tơng đối đợc tính theo công thức thực nghiệm I.I Vibe (2.47)
Trong quá trình cháy khối lợng không khí giảm xuống :
G
bt
=G
b
-G
o
.g
ct
.x (2.10)
Họ và tên: Đinh Văn Thuỷ Trang: 8
Lớp: DHT47-1
Thiết kế môn học
Và lợng sản vật cháy tăng nên :
m
kcx
=m
r
+g
ct
x+G
o
.g
ct
.x (2.11)

.
).(
.

(2.12)
Lợng nhiên liệu cấp cho môi chất công tác bằng tổng lợng nhiệt nhận đợc từ vách và nhiệt lợng
do cháy lợng nhiên liệu cấp cho chu trình .


d
dQ
d
dQ
d
dQ
xw
+=
(2.13)
Lợng nhiệt toả ra do cháy phần nhiên liệu cấp ,kW/kg .


d
dx
gQ
d
dQ
ctH
x
=
(2.14)

m
=
30
.ns
(2.15)
s: là hành trình của piston, m ;
n: là vòng quay của động cơ, v/p;
-Tốc độ lớn nhất của piston khi nạp qua xupap nạp,m/s ;
C
w
=1,57.C
m
.k (2.16)
k: Tỷ số diện tích đỉnh piston và diện tích lỗ xupap (chọn theo kết cấu của động cơ ).
-Nhiệt trị thấp của nhiên liệu : QH,kj/kg :
Q
H
=100.[339.C+1256H-109(O-S)]-r
w
.(9H+W) (2.17)
r
w
=2512kj/kg : nhiệt ẩn hoá hơi của nớc trong nhiên liệu ứng với áp suất 101.2 kpa .
C,H,O,S,W : hàm lợng cácbon, hidro, oxi, lu huỳnh nớc có trong thành phần nhiên liệu, %
Với dầu điesel : C=0,87;H=0,126,O=0,004 .
-Nhiệt độ không khí sau máy nén tăng áp, oK :

k
k
n


lm
PPP
kks
=

.
(2.20)
lm
P
: độ giảm áp suất trong bấu làm mát không khí tăng áp,Mpa :
p
k
: áp suất tăng áp lấy theo lý lịch động cơ hoặc động cơ mẫu ,Mpa :
-áp suất không khí cuối quá trình nạp,Mpa :

s
w
sa
Tw
C
PP
2
2
.576
100000.
=
(2.21)
w: hệ số tốc độ
-Hệ số khí sót :

TtT
T


+
++
=
1
.
(2.23)
-Diện tích bề mặt xung quanh thể tích xilanh công tác khi piston ở điểm chết dới Fo, m
2
:
F
0
=
1
.
.
2
.
2

+



SDD
(2.24)
D,S : đờng kính xilanh và hành trình piston, m;

4
1
2

=
(2.26)
-Thể tíc buồng cháy V
c
, m
3
:

1
1
.

=

sc
VV
(2.27)
-Thể tích công tác xilanh khi piston ở điểm chết dới V
a
,m
3
:
V
a
=V
c

, kmol/kg .

)
32
0
32412
.(
21,0
1
0
++=
SHC
L
(2.31)
-Hệ số nạp không kể đến hàm lợng ẩm :

rsa
sa
n
PT
TP



+
=
1
1
.
.

-Lợng không khí thực tế nạp vào trong xilanh trong một chu trình không kể đến hàm lợng ẩmcủa
không khí, kg :

snsB
VG

=
(2.34)
-Hệ số d lợng không khí không kể đến hàm lợng ẩm :

0
.G
g
G
ct
B
=

(2.35)
g
ct
: lợng cấp nhiên liệu cho động cơ trong một chu trình, kg;
G
o
: lợng không khí lý thuyết để đốt cháy một kg nhiên liệu, kg/kg :

00
.LG
s
à

T
kf
: nhiệt độ môi chất trong xilanh lúc bắt đầu phun nhiên liệu,
o
K;
P
kf
: áp suất môi chất trong xilanh lúc bắt đầu phun nhiên liệu, kPa;
-Hệ số truyền nhiệt từ khí đén vách ống lót xilanh
cm

cm

có thể áp dụng theo các công thức khác nhau phụ thuộc vào loại động cơ. Tất cả các công
thức tính hệ số truyền nhiệt từ khí đến vách ống lót xilanh đều là công thức thực nghiệm ứng với các
điều kiện cụ thể, vì vậy không thể sử dụng công thức chung áp dụng cho các loại động cơ .
Dới đây là một công thức thực nghiệm tính hệ số truyền nhiệt từ khí đến vách ống lót xilanh :
Họ và tên: Đinh Văn Thuỷ Trang: 13
Lớp: DHT47-1
Thiết kế môn học
+ Công thức Nuxent áp dụng cho động cơ Diesel thấp tốc :

vxkc
vxkc
mkckcmc
TT
TT
CTP



+ Công thức tính của Briling- Nuxent dùng cho các động cơ thấp tốc có tăng áp:

vxkc
vxkc
mkckcmc
TT
TT
CTp


++=
44
3
2
)01,0()01,0(
.362,0)185,045,2( 151,1

(2.40)
+Công thức của Briling sử dụng cho các động cơ cao tốc:

)185,045,2(.151,1
2
mkckcmc
CTp +=

(2.41)
+Công thức của Haizenbek sử dụng cho các động cơ Diesel tàu thuỷ:

kckcmmc
TPC 47,2

C
m
mkckcmc
eCf
CfTPK

=
=

(2.44)
Dấu + ứng với C
m
>3,6m/s:
Đối với lắp xi lanh và piston: K

= 1,1 + 0,366.
0
0
P
PP
k

Họ và tên: Đinh Văn Thuỷ Trang: 14
Lớp: DHT47-1
Thiết kế môn học
Đối với ống lót xilanh: K

= 0,36 + 0,12.
0
0

k
2/3
;
Trong các công thức trên:

mc

- Hệ số truyền nhiệt từ khí đến vách ống lót xilanh, KW/(m
2
.K);
P
kc
, P
k
, P
0
- áp suất khí cháy, không khí tăng áp, không khí môi trờng, MP
a
;
C
m
- tốc độ trung bình piston, m/s;
D - Đờng kính xilanh, m;
T
kc
,T
vx
-Nhiệt độ khí cháy,nhiệt độ trung bình của vách ống lót xilanh,K.
- Bề mặt trao đổi nhiệt tức thời của vách với môi chất công tác,m
2



+=



2
sin.
2
cos1.5,0 S
( 2.47)
- Lợng nhiệt toả ra và tốc độ toả nhiệt theo công thức Vibe:
Phần trăm nhiệt lợng toả ra theo góc quay trục khuỷu x:




















+

+
=
+1
0
908,6exp
1
908,6
m
zz
x
m
d
d




(2.49)

m- chỉ số đặc trng cho sự phát triển sự cháy chọn theo thực nghiệm m = 0,3
ữ
1;

Z

- thời gian cháy

(2.50)
L
i
- công chỉ thị của chu trình,kj.
- Công suất chỉ thị, kW:

M
i
=i.V
s
.p
i.
.n.z/60 (2.51)
i-Số xilanh;
z- hệ số kỳ.
- Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị, kg/(kW.h):
G
i
=
iss
ns
PTLR
p

3600
0
à

( 2.52)
- Hiệu suất chỉ thị:

C
m
- áp suất tổn hao cơ giới, Mpa;
Họ và tên: Đinh Văn Thuỷ Trang: 16
Lớp: DHT47-1
Thiết kế môn học
Đối với động cơ có buồng cháy thống nhất: a
m
= 0,088; b
m
= 0,0118;
Đối với động cơ có buồng cháy trớc: a
m
= 0,103; b
m
= 0,0135;
Đối với động cơ buồng cháy phân cách: a
m
= 0,103; b
m
= 0,015.
- Hiệu suất cơ giới
m

:

m

=
i


.=
- Suất tiêu hao nhiên liệu có ích g
e
, kg/(kw.h):
g
e
=
miS
sn
pL
à


3600
0
hoặc g
e
= g
i
/
m

(2.57)
- Hiệu suất có ích:

ctH
e
gQ .
1000.3600

Chơng trình tự động tính toán thiết kế động cơ Diesel là đề tài tốt nghiệp của sinh viên: Đỗ
Hùng Cờng thiết kế với sự hớng dẫn của: Th.s Đặng Khánh Ngọc. Thiết kế này đợc đánh giá cao
không chỉ bởi khả năng nắm vững lý thuyết thiết kế, tính chính xác của chơng trình mà còn là một
sản phẩm có tính ứng dụng rất cao trong thực tiễn giảng dậy trong trờng cũng nh của các động giả.
Trên cơ sở mắn vũng lý thuyết thiết kế động co Diesel đồng thời làm đơn giản hoá việc tính
toán thiết kế Tôi đã ứng dụng chơng trình này vào việc thực hiện đề tài. dới đây là kết quả tính toán
bởi chơng trình này:
Họ và tên: Đinh Văn Thuỷ Trang: 17
Lớp: DHT47-1
ThiÕt kÕ m«n häc
Hä vµ tªn: §inh V¨n Thuû Trang: 18
Líp: DHT47-1
ThiÕt kÕ m«n häc
Hä vµ tªn: §inh V¨n Thuû Trang: 19
Líp: DHT47-1
Thiết kế môn học
1.6, Kết luận:
Sau khi ứng dụng chơng trình vào thiết kế động cơ thấy các thông số kết quả thoả mãn các
yêu cầu:
T
max
=2050
0
K < 2200= [T
max
]
Kiểm nghiệm sai số cho phép của công suất
%1%011.0
176
86.176

nb
Trong đó
+ G
np
: trọng lợng của nhóm piston
+ G
np
= k
1
.D
3
= 3.1,6
3
= 12,288 [KG]
+ k
1
= 3 (kG/dm
3
) - Hệ số, piston làm bằng gang.
+ D = 3,5 (dm) - Đờng kính piston
+ G
b
: Trọng lợng của biên
+ G
b
= k
2
.D
3
= 3,5.1,6

16.14,3
4
.
22
==
D

(cm
2
)
3 - Khối lợng của các chi tiết tham gia chuyển động thẳng của 1 xilanh với một
đơn vị diện tích đỉnh piston:
m
t
=
P
t
F
G
.8,9
(KG.s
2
/m.cm
2
)
m
t
=
00915,0
062,201.8,9

225
2
==
S
(mm) - Bán kính quay trục khuỷu.


L = 112,5 x4 = 450 (mm) - Chiều dài tay biên
6 Khối l ợng biên.
m
b
= m
nb
+ m
tb
m
b
=
4614,1
81,9
336,14
==
g
G
b
(KG.s
2
/m)
+ m
1

2
= 0,6.1,4614 = 0,87684 (KG.S
2
/m.cm
2
)
7 - Khối lợng của những phần chuyển động quay:
m
tk
= m
cb
+ 2m
mk
+ m
2

Trong đó:
+ m
cb
: khối lợng cổ biên m
cb
=
g
dD
L
cb
cb
.4
).(
.

+ m
cb
= l
cb
..( d
cb
- d
0
)/4.g=0,896.7,848.
0865,0
81,9.4
)728,012,1(14,3
2
=


(KG.s
2
/m.cm
2
)
Họ và tên: Đinh Văn Thuỷ Trang: 22
Lớp: DHT47-1
Thiết kế môn học
+ đờng kính ngoài cổ trục D
ct
=(0.55-0.85)D=0,8.1,6=1,28 (dm)
+ m
mk
: Khối lợng má khuỷu quay với bán kính

2
=+
+
=+
+
R
dd
ctcb
(dm)
=> S = b.h = 1,568.2,325 =3,646 (dm
2
):
+ : chiều dày má khuỷu
= 0,35.d
cb
=0,35.1,12 = 0,392 (dm)
=
685,1
2
25,212,1
22
=
+
=
+
=+
Sd
R
d
cbct

2

m
TK
= 0,0865 + 2.1.712 + 0,88 = 4.3905 (KG.s
2
/m)
8 - Khối lợng của những phần chuyển động quay của xilanh với một đơn vị diện tích
đỉnh piston:
m
q
=
0218,0
062,201
3905,4
==
P
TK
F
m
(KG.s
2
/m.cm
2
)
9 - Lực quán tính chuyển động quay:
P
q
=- m
q

- à
q
=0.15 (KG/cm
2.
mm) Tỷ lệ xích của đồ thị lực tác dụng lên cổ trục
- m=
q
.Fđ.h/ r
đ
.w
2
=0,15.201,062.40,852/(0.1125. 78,54
2
)=1, 775 (KG.S
2
/m)
B - xây dựng các đồ thị
1- Đồ thị chuyển vị , vận tốc, gia tốc.(Bảng 1)
Ta có: R = 0,1125 (m);

= 1/ 4 = 0,25;
=

78,54 (rad/s)

CRRJ
BRRV
ARRX
)2cos(cos
)2sin

A B C
ARx .=

BRv =
2


CRj =
0 0 0 1.25 0
867.45 867.45
15 0.042448 0.321319 1.182432 0.004775
2.839 820.56
30 0.165225 0.608253 0.991025 0.018588
5.374 687.732
45 0.355393 0.832107 0.707107 0.039982
7.352 490.704
60 0.59375 0.974279 0.375 0.066797
8.608 260.235
75 0.857808 1.028426 0.042313 0.096503
9.087 29.363
90 1.125 1 -0.25 0.126563
8.836 -173.49
105 1.375446 0.903426 -0.47533 0.154738
7.982 -329.857
120 1.59375 0.757772 -0.625 0.179297
6.695 -433.725
135 1.769607 0.582107 -0.70711 0.199081
5.143 -490.704
150 1.897275 0.391747 -0.74103 0.213443
3.461 -514.242

Lớp: DHT47-1