4

Mở đầu
1. Lý do lựa chọn đề tài
Trong việc nghiên cứu, tính toán thiết kế động cơ Diesel thì thiết kế hệ thống
phục vụ của nó là rất quan trọng. Các hệ thống có một vai trò to lớn trong quá trình
hoạt động của động cơ. Góp phần nâng cao công suất, hiệu suất và tuổi thọ của
động cơ.
Trong quá trình khai thác động cơ Diesel tàu thuỷ, việc quan tâm và nghiên
cứu các hệ thống phục vụ sẽ giúp cho động cơ đảm bảo luôn hoạt động ở tình trạng
kĩ thuật tốt nhất. Đồng thời cũng tránh đ ợc quá trình hỏng hóc do quá trình sử
dụng sai các hệ thống phục vụ.
Ngày nay các động cơ Diesel tàu thuỷ ngày càng hiện đại hoá. Điều đó đòi
hỏi các hệ thống phục vụ nó cũng phải hoàn thiện dần. Tiến tới nâng cao công suất
động cơ và nâng cao tính kinh tế của hệ thống.
2. Mục đích đề tài
Tính toán thiết kế ba hệ thống phục vụ động cơ Diesel tàu thuỷ là: Hệ thống
nhiên liệu, hệ thống bôi trơn và hệ thống làm mát. Trong đó cần tính toán các thiết
bị của ba hệ thống nh cụm bơm, các bầu lọc, các bầu sinh hàn, các két phục vụ
động cơ.
3. Nội dung đề tài.
Gồm hai ch ơng:
Ch ơng 1 : Tính nhiệt của chu trình công tác động cơ Diesel
Ch ơng 2 : Tính toán thiết kế một số hệ thống phục vụ động cơ.
Phần 1: Thiết kế hệ thống nhiên liệu
Phần 2: Thiết kế hệ thống bôi trơn
Phần 3: Thiết kế hệ thống làm mát
Phần 4: Tìm hiểu một số loại bơm cao áp
4. Ph ơng pháp nghiên cứu của đề tài
5



Mục đích đề tài

4

3

Nội dung đề tài

4

4

Ph
ơng pháp nghiên cứu của đề tài

4

5

Phạm vi của đề tài

5

6

ý nghĩa khoa học và thực tiễn

5



Yêu cầu đối với hệ thống nhiên liệu.

17

2.1.2

Lựa chọn ph
ng án thiết kế

17

2.1.3

Nguyên l
ý làm việc của hệ thống nhiên liệu

19

2.1.4

Thiết kế hệ thống nhiên liệu

19

2.2

Thiết kế hệ thống bôi trơn

39

50

2.3.2

Yêu cầu đối với hệ thống làm mát

50

2.3.3

Lựa chọn ph ơ
ng án thiết kế

50

2.3.4

Nguyên lý làm việc của hệ thống làm mát

542

2.3.5

Thiết kế hệ thống làm mát

54



STT

Tên hình vẽ

Trang

1

Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu gián tiếp

17

2

Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp

18

3

Kết cấu bơm bô sơ

21

4

Sơ đồ điều chỉnh l ợng nhiên liệu cấp

23

36

10

Sơ đồ hệ thống bôi trơn vung té

39

11

Sơ đồ hệ thống

bôi trơn các te ớt

40

12

Sơ đồ hệ thống

bôi trơn các te khô

42

13

Sơ đồ hệ thống hệ thống l
àm mát hở

51

để tính các thông số của chu trình còn phải chọn nhiều hệ số khác nh : Hệ số lợi
dụng nhiệt, hệ số biến đổi phân tử.
Từ cách tính chu trình công tác theo ph ơng pháp cổ điển có thể rút ra một số
nhận xét sau đây:
- Không xét đ ợc ảnh h ởng của góc phối khí
- Sử dụng quá trình hệ số lựa chọn nên không đảm bảo độ chính xác
7
- Không xét đ ợc ảnh h ởng của góc phun sớm, quy luật cấp nhiên liệu,
l ợng nhiệt trao đổi với n ớc làm mát
- Không xét đ ợc các thông số động học quá trình cháy và mối quan hệ
giữa các thông số này với lực tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu
- Với ph ơng pháp này rất khó nghiên cứu các thông số công tác khi động
cơ làm việc theo các đ ờng đặc tính điều chỉnh, đặc tính bộ phận, đặc tính
chong chóng và ảnh h ởng của điều kiện khai thác tới chất l ợng làm việc
của động cơ.
1.1.2. Ph ơng pháp cân bằng năng l ợng
Động cơ tầu thuỷ hiện đại chủ yếu là động cơ tăng áp bằng tua bin khí xả.
Các quá trình công tác trong xi lanh động cơ và trong tua bin máy nén có mối liên
hệ phụ thuộc lẫn nhau, điều đó ph ơng pháp cổ điển không tính đến. Vì vậy phải
soạn thảo mô hình toán học mà các quá trình công tác cho phép tính đến các yếu tố
này và cho phép đánh giá ảnh h ởng của chúng đến đặc tính quá trình công tác, tính
kinh tế và tính tin cậy của động cơ.
Trong đề tài này sử dụng ph ơng pháp cân bằng năng l ợng để nghiên cứu.
Để áp dụng ph ơng pháp này phải giả thiết môi chất trong thể tích công tác của xi
lanh tại thời điểm bất kỳ đều ở trạng thái cân bằng, nghĩa là môi chất trong xi lanh
là một hệ thống nhiệt động cân bằng. Nếu bỏ qua sự rò lọt môi chất qua xéc măng
trong quá trình nén và giãn nở thì hệ thống nhiệt động là hệ kín.
Nh vậy, với ph ơng pháp này thì môi chất trong thể tích làm việc của xi
lanh trong quá trình luôn tuân theo định luật thứ nhất.
Ph ơng trình cân bằng năng l ợng của môi chất đ ợc biểu diễn thông qua

, tính từ ĐCT lúc bắt đầu quá
trình nạp.
Biến thiên nội năng của môi chất tính theo công thức:
d
dm
u
d
dT
Cvm
d
dQ
+=
Độ thay đổi công tính theo công thức:
d
dV
p
d
dl
.=
m - Khối l ợng chất công tác (kg)
C
V
- Nhiệt dung riêng đẳng tích (kJ/(kg.K))
u - Nội năng đơn vị chất công tác (kJ/kg)
P - áp suất môi chất trong xi lanh
V - Thể tích môi chất công tác (m
3
)
Nội năng đơn vị chất công tác:


dU
vk
.) ( ==
vk
- Hệ số truyền nhiệt từ vách tới môi chất theo góc quay trục khuỷu và bề mặt
trao nhiệt; kW/(m
2
.K)
T
VX
- Nhiệt độ trung bình vách sau 1 chu trình, ở chế độ định mức T
VX
= 400 ữ 480
K
F
VX
- Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt m
2

: Thời gian trao đổi nhiệt (s)
nd
d
.6
1
=


nên
n
Fvx

l ợng nhiên liệu phun vào xi lanh trong 1 chu trình (kg)
Tốc độ cháy t ơng đối tính theo thực nghiệm
Khối l ợng không khí giảm xuống trong quá trình cháy:
G
bx
= G
b
G
0
. g
ct
.x
Sản vật cháy tăng lên
m
kcx
= m
r
+ g
ct
.x G
0
. g
ct
.x
X =


d
d
dx

Dựa theo các ph ơng trình nêu trên sẽ xác định đ ợc áp suất môi chất công
tác và từ đó tính đ ợc nhiệt độ theo ph ơng trình trạng thái của môI chất.
1.1.3 Một số công thức dùng trong quá trình tính toán
- Tốc độ trung bình của piston C
m
(m/s)
30
.nS
C
m
=
- Tốc độ lớn nhất của piston khi nạp qua xu páp nạp (m/s)
C
W
= 1,57.C
m
.k
k - Tỉ số giữa diện tích đỉnh piston và diện tích lỗ xu páp
- Nhiệt trị thấp của nhiên liệu.
Q
H
= 100.[339.C + 1256.H 109.(O-S) r
W
.(9H+W)
r
W
= 2512 kJ/kg - Nhiệt ẩm hoá hơi của n ớc trong nhiên liệu ứng với áp suất 101,2
kPa
- Nhiệt độ của không khí sau máy nén tăng áp (
0

K
.
K
- .P
lm

.P
lm
- Độ giảm áp suất áp trong bầu làm mát
- áp suất không khí cuối quá trình nạp
11
s
w
sa
Tw
C
pp
576
10.
2
52
=
- Hệ số khí sót
).(
).(
rar
rs
r
PPT
PtT

.
.
2
.
2
0

+=


SDD
F
- Diện tích bề mặt của các chi tiết tiếp xúc với môi chất công tác
)sin 5,0cos1.( 5,0
2
0
++= SDSDFF
vx

- Góc quay khuỷu
- Thể tích công tác của xi lanh (m
3
)
2

4
1
DSV
S
=






−++=
3232412
.
21,0
1 OSCC
L
o

- HÖ sè n¹p kh«ng kÓ ®Õn hµm l îng Èm
ras
sa
H
TP
TP
γε
ε
η
+−
=
1
1
.
.
.
.

- L îng kh«ng khÝ lý thuyÕt cÇn thiÕt ®Ó ®èt ch¸y 1 kg nhiªn liÖu
00
.LG
S
µ=
- Khèi l îng cña 1 mol kh«ng khÝ
96,28=
S
µ kg/kmol
- HÖ sè d l îng kh«ng khÝ α cã kÓ ®Õn hµm l îng Èm
d.61,11
1
+
=
α
α
- Thêi gian ch¸y tr× ho·n
294,0635,0
1
.).(
4,8217
kfkfm
TPC
=τ
13
T
kf
- Nhiệt độ môi chất trong xi lanh lúc bắt đầu phun nhiên liệu

P

D
F
w
1

2
.
2

S


- Độ dịch chuyển tức thời của piston
)sin 5,0cos1.(.5,0
2


+= SS
- L ợng nhiệt toả ra và tốc độ toả nhiệt tính theo công thứcVibe
Phần trăm nhiệt l ợng toả ra theo góc quay trục khuỷu

























+
=
+1
.908,6exp
1
.908,6
m
zzz
m
d
dx







- C«ng chØ thÞ cña chu tr×nh
- C«ng suÊt chØ thÞ
60

z
nPViN
isSi
µ=
- SuÊt tiªu hao nhiªn liÖu chØ thÞ
αµ
η

3600
0 iss
HS
i
PTLR
P
g =
- HiÖu suÊt chØ thÞ
HsH
iss
i
PQ
PTLR
η
αµ
η


mie
ηηη .=
- SuÊt tiªu hao nhiªn liÖu trong 1h: .Neg B
eh
=

16

Ch ơng 2: Thiết kế một số hệ thống phục vụ động cơ
2.1. Thiết kế hệ thống nhiên liệu.
2.1.1. Yêu cầu đối với hệ thống nhiên liệu.
Quá trình cấp nhiên liệu tốt hay xấu đều ảnh h ởng đáng kể đến công suất và
tuổi thọ của các chi tiết. Do đó hệ thống nhiên liệu cần đảm bảo một số yêu cầu
sau:
a. Yêu cầu về l ợng nhiên liệu:
- L ợng nhiên liệu cấp cho mỗi xi lanh phải đúng theo yêu cầu cần thiết cho mỗi
chu trình công tác của động cơ (Đảm bảo định thời, định chất và định l ợng) có thể
dễ dàng điều chỉnh l u l ợng theo phụ tải ban đầu.
- L ợng nhiên liệu phun vào các xi lanh của động cơ phải đều nhau (chênh lệch về
l ợng nhiên liệu giữa các xi lanh không v ợt quá 5%).
- Dự trữ đủ l ợng nhiên liệu cho thời gian hành trình của tầu.
b.Yêu cầu về thời điểm và thời gian cấp nhiên liệu.
- Nhiên liệu phun vào xi lanh phải đúng thời điểm quy định ( Đúng góc phun sớm)
- Nếu phun sớm quá, lúc này nhiệt độ và áp suất khí nén trong xi lanh còn thấp,
nhiên liệu phun vào khả năng bốc hơi chậm, quá trình cháy sẽ khó khăn, gây lãng
phí nhiên liệu, áp suất cháy thấp, công suất giảm, động cơ nhả khói đen. Mặt khác
do phun sớm quá sẽ có hiện t ợng cháy tr ớc khi piston lên đến ĐCT, gây phản áp
làm cho động cơ chạy bị rung.
- Nếu phun muộn quá, nhiên liệu không có thời gian chuẩn bị cháy, thời gian cháy
rớt kéo dài, áp suất khí cháy thấp, công suất động cơ giảm, lãng phí nhiên liệu,

2. Nguyên lý hoạt động

18

- Thời điểm phun nhiên liệu do cam khống chế thông qua việc dẫn động vòi phun.
- áp lực phun và l ợng nhiên liệu do bơm cao áp đảm nhiệm. Bơm 3 lấy dầu từ két
1 đ a đến bơm cao áp 4. Bơm cao áp cấp nhiên liệu cao áp lên đ ờng ống 5 tới các
vòi phun và đ ợc phun vào động cơ khi vòi phun mở.
- Hệ thống này ít dùng vì có nhiều nh ợc điểm nh : Truyền động cồng kềnh, kim
phun bị bao bọc bởi 1 lớp nhiên liệu cao áp nên dễ hỏng hóc.
2.1.2.2. Hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp.
1. Sơ đồ cấu tạo. 1,15- Van tràn, 2- Đ ờng ống cao áp, 3,4,5- Các đ ờng dàu hồi, 6- Van, 7- Bầu lọc thô,8- Van
tay,
9- Bơm cấp nhiên liệu bằng tay, 12- Động cơ, 13- Đồng hồ đo áp suất bơm cao áp,
14- L ới lọc, 11- Bơm cao áp, 16- Nút, 18- Miệng hút, 19- Két nhiên liệu,
20- Bầu lọc tinh, 21- Bơm nhiên liệu.
Hình 2.2 - Sơ đồ nguyên lý của hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp
2. Nguyên lý hoạt động.
- Bơm chuyển nhiên liệu 21 hút nhiên liệu từ thùng chứa qua miệng hút 18 và bầu
lọc thô 7 cung cấp nhiên liệu qua bầu lọc tinh 20 tới bơm cao áp 11. Van tràn 1
dùng để hạn chế áp suất nhiên liệu trên đ ờng ống và để xả nhiên liệu thừa vào ống
dầu hồi 5 trở về thùng chứa.

19

- Đồng hồ áp suất 13 dùng để kiểm tra áp suất trong không gian cấp nhiên liệu vào
bơm cao áp. Số tổ bơm cao áp bằng số xi lanh của động cơ ( Sơ đồ nguyên lý không

- Cung cấp nhiên liệu đúng thời điểm và theo quy luật mong muốn
- Cung cấp nhiên liệu đồng đều vào các xi lanh động cơ.
- Dễ dàng và nhanh chóng thay đổi l ợng nhiên liệu cấp cho chu trình phù hợp với
chế độ làm việc của động cơ.
2. Phân loại bơm cao áp.
Bơm cao áp dùng trên động cơ điêsel có rất nhiều loại khác nhau. Dựa vào
cách điều chỉnh nhiên liệu mà phân các loại sau:
a. Bơm cao áp điều chỉnh nhiên liệu bằng van tiết l u loại này piston của bơm
có kết cấu hình trụ không có gì đặc biệt.
b. Bơm cao áp điều chỉnh nhiên liệu bằng mặt cam vát. Đặc điểm của piston
nh trên, cam có dạng mặt vát để điều chỉnh hành trình có ích của piston.
c. Bơm cao áp điều chỉnh nhiên liệu bằng ngăn kéo piston, loại này trên
piston có rãnh xoắn và rãnh thẳng thông với cửa sổ cấp nhiên liệu trên xi lanh. Loại
bơm này dựa vào thời điểm cấp đ ợc chia thành 3 loại:
- Loại điều chỉnh thời gian bắt đầu cấp
- Loại điều chỉnh thời gian kết thúc cấp
- Loại điều chỉnh hỗn hợp
Mặc dù có nhiều loại nh vậy, nh ng hầu hết các động cơ điezel ngày nay
đều dùng loại bơm cao áp thay đổi l ợng nhiên liệu bằng cách dùng rãnh xoắn trên
piston (piston ngăn kéo) loại này còn gọi là bơm Bô sơ.
3. Kết cấu bơm bô sơ.

218

6

a

- Với các chi tiết của cặp piston xi lanh bơm cao áp thì các mặt ma sát có độ cứng
không nhỏ hơn HRC58, mặt đầu không nhỏ hơn HRC55, với cặp piston xi lanh
đ ợc chế tạo bằng thép 25C5M cần thấm Ni tơ.
- Cặp chi tiết van cao áp và đế van cũng yêu cầu cao về mặt công nghệ. Vật liệu chế
tạo là thép hợp kim XBR, sau khi nhiệt luyện độ cứng phải đạt HRC56-62và HRC
60-64
- Cặp chi tiết chính xác là piston 6 và xi lanh 8 của bơm đ ợc chọn lắp theo bộ.
Trên xi lanh 8 có lỗ cấp nhiên liệu a và lỗ dầu hồi c. Để điều chỉnh l ợng nhiên liệu
dùng thanh răng 7 làm thay đổi hành trình có ích của piston. Trên piston 6 có phay
rãnh xoắn b và rãnh thẳng để thay đổi l ợng cấp nhiên liệu.
b. Nguyên lý hoạt động
- Hành trình thứ nhất: Khi động cơ hoạt động trục khuỷu quay lai trục cam bơm cao
áp. Khi con lăn 2 tiếp xúc với bề mặt trụ của cam 1 thì piston 6 ở điểm chết d ới.
Piston bắt đầu đi lên lò xo 3 bị nén lại. Lúc này nhiên liệu ở trong xi lanh bắt đầu
tràn qua lỗ dầu cấp a và nhiên liệu bắt đầu bị nén lại. áp suất nhiên liệu bên trong
xi lanh bắt đầu tăng lên tới khi áp lực này thắng lực của lò xo 4 thì van cao áp 5 mở
ra, nhiên liệu đ ợc cấp lên đ ờng ống cao áp đi tới vòi phun để phun vào xi lanh
động cơ. Quá trình cấp cứ diễn ra cho đến khi mép xoắn b trùng với mép của cửa
tràn c do đó áp suất dầu giảm đột ngột dẫn đến lò xo 4 đóng van cao áp 5 lại, mặc
dù có thể lúc đó piston vẫn còn đi lên điểm chết trên.
- Hành trình thứ 2: Khi con lăn tiếp xúc bên kia vấu cam thì lò xo 3 giãn dần và kéo
theo piston 6 từ điểm chết trên đi xuống, lúc đầu tạo chân không trong xi lanh mà
ch a hút nhiên liệu vào, cho đến khi đỉnh piston mở cửa cấp a, và cửa hồi c nhiên

23

liệu trong khoang chứa lỗ nhập a và c đi vào xi lanh. Piston thực hiện hút nhiên liệu
cho đến khi đến ĐCD.
c. Ph ơng pháp điều chỉnh nhiên liệu
Đối với bơm cao áp loại điều chỉnh l ợng nhiên liệu bằng rãnh xoắn trên

120

= (lít) (2-1)
Trong đó
g
e
- Suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ ; g
e
= 206 (g/K W.h)
Ne - Công suất thiết kế của động cơ ; Ne = 1760 KW
i - Số xi lanh của động cơ ; i = 8
- Số kì của động cơ ; = 4
n - Vòng quay của động cơ ; n = 775 (v/p)

nl
- Khối l ợng riêng của nhiên liệu ;
nl
= 850 (g/dm
3
)
Thay các giá trị vào công thức đ ợc kết quả : V
ct
= 0,0023 (lít)
b. Khoảng thời gian phun nhiên liệu (tính từ lúc bắt đầu đến lúc kết thúc cấp)
n
t
p
p
.
6

-Thể tích nhiên liệu cấp cho 1 chu trình ở chế độ thiết kế; V
ct
= 0,0023 (lít)
t
p
- Khoảng thời gian phun nhiên liệu; t
p
= 0,004 (s)
Thay các giá trị vào công thức (2-3) đ ợc kết quả: Q
tb
= 0,575(lít/s)
d. Đ ờng kính của piston bơm cao áp

25

pcp
cct
p
C
nV
kd

.6.

4

= (2-4)
Trong đó:
V
ct

C
p
- Tốc độ của piston bơm cao áp với dạng cam dẫn là cam lồi thì C
0
= 1,5
do vậy C
p
= 0,581 (m/s) = 581( mm/s)
Thay các giá trị vào công thức (2-4) ta đ ợc kết quả: d
p
= 30,6(mm)
Chọn theo tiêu chuẩn thì d
p
= 30 (mm) tra bảng đ ợc hành trình piston S = 42 (mm)
e. Hành trình có ích của piston bơm cao áp
cp
ct
a
f
V
h
.
=
Trong đó:
V
ct
= 2300 (mm
3
)
f


10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

1- Kim phun, 2- Bệ đầu phun, 3- Êcu tròng, 4- Thân vòi phun, 5- Đũa đẩy,
6- Đĩa lò xo, 7- Lò xo, 8- Vít điều chỉnh, 9,12- Rãnh hình vành khăn,
10- Nắp nối với ống nhiên liệu, 11- Đ ờng dẫn nhiên liệu
Hình 2.5 - Kết cấu vòi phun

Vòi phun là một trong những bộ phận quan trọng của hệ thống nhiên liệu.
Thực tế có rất nhiều loại vòi phun, việc sử dụng vòi phun loại nào phụ thuộc hoàn
toàn vào hệ thống nhiên liệu:
- Vòi phun nhiên liệu hở: Dùng cho hệ thống phun kiểu khí nén