0 Mở đầu

Sau 5 năm học tập tại tr ờng, để đánh giá lại kiến thức tr ớc khi b ớc vào thực
tiễn sản xuất, em đ ợc giao đề tài tốt nghiệp với nhiệm vụ: Thiết kế động cơ Diesel
2940 mã lực.
Đ ợc sự h ớng dẫn của cô giáo Đặng Khánh Ngọc và những kiến thức đã đ ợc
học tập trong tr ờng, kết hợp với thực tiễn sản xuất, sau 3 tháng làm việc em đã
hoàn thành đề tài tốt nghiệp với những nội dung chủ yếu bao gồm các phần sau:

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Đóng Tàu: TRNG I
HC HNG HI VIT NAM. c bit l cụ giỏo ng Khỏnh Ngc ó tn tỡnh
giỳp giỳp Em trong quỏ trỡnh thc hin ti. Do bn than cha cú kinh nghim
thc t nờn ti ca En cũn nhiu thiu sút mong cỏc thy cụ ch bo, phờ bỡnh
ti ca Em c hon thin.
Em xin chõn thnh cm n. 1 Mở đầu
1. Tính thời sự của đề tài.

4. Ph ơng pháp nghiên cứu của đề tài.
- Về lý thuyết sử dụng các tài liệu liên quan đến thiết kế động cơ Diesel của
thầy Lê Viết L ợng.
- ứng dụng phần mềm tính chu trình công tác để tính toán các thông số kỹ
thuật của động cơ, động học và động lực học của các hệ thống nhằm phục vụ cho
việc tính toán thiết kế động cơ Diesel.
5. Phạm vi nghiên cứu của đề tài.
Đề tài chỉ giới hạn trong việc thiết kế động cơ Diesel nhằm đáp ứng đ ợc
công suất 2940 KW để thỏa mãn nhu cầu thiết kế.
6. í nghĩa khoa học và thực tiễn.
Đề tài có ý nghhĩa khoa học và thực tiễn, nghiên cứu và làm rõ đ ợc ph ơng
pháp thiết kế động cơ Diesel nói chung và động cơ Diesel tàu thủy nói riêng đáp
ứng đ ợc công suất thiết kế và điều kiện làm việc của động cơ. Từ đó có thể áp
dụng vào sản xuất và cải tiến nâng cao đ ợc chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật cho động cơ
và làm giảm thiểu h hỏng các chi tiết. Đề tài có thể làm tài liệu tham khảo cho các
sinh viên trong ngành cơ khí đóng tàu và các nghành cơ khí khác. MC LC
Ch ơng, mục
Tên ch ơng mục
Trang sốNhiệm vụ th
nghĩa thực tế của đề tài nghiên cứu

Chng 1.
lựa chọn ph/ơng
án thiết kế
.Chng 2.
thiết kế động cơ diesel, công suất 2940 kw2.1.

Tính các thông số của chu trình công tác động cơ
Diesel

2.1.1.

Lựa chọ công thức tính.

2.1.2.

kết quả tính toán2.2

Tính toán động học và động lực học của cơ cấu biên
khuỷu

óc công tác và lựa chọn các thứ tự làm việc của
các xilanh.

2.2.2.5.

Đồ thị tổng lực tiếp tuyến.2.2.2.6.

Đồ thị lực tác dụng lên cổ biên.2.2.2.7.

Đồ thị lực tác dụng lên bạc biên.
2.2.2.8.

Đồ thị lực tác dụng lên cổ trục.MC LC
Ch ơng, mục
Tên ch ơng mục
Trang số

2.2.2.9.
2.4.1.

Hệ thống nhiên liệu.2.4.2.

Hệ thống bôi trơn.2.4.3.

Hệ thống làm mát.2.4.4.

Hệ thống khởi động.Ch ơng 3.Kết luận và kiến nghị.
TI LIU THAM KHO

4

Để đáp ứng nhu cầu vận chuyển hàng hoá trong và ngoài ớc ngày càng phát
triển, ngoài đ ơng sắt, đ ờng bộ, đ ờng hàng không thì đ ờng biển đóng một vai
trò hết sức quan trọng, do vậy để phát triển ngành Hàng Hải Việt Nam thì việc
đóng mới, sửa chữa, nâng cấp một con tàu vận chuyển là rất cần thiết.
Khi đóng mới một con tàu thì ng ời ta quan tâm đến công suất, tính an toàn,
tính kinh tế, khả năng quay vòng cho mỗi chuyến đi của con tàu.
ở đây nhiệm vụ là thiết kế động cơ 2940 kw. Để đáp ứng nhiệm vụ đó là phải
chọn ra động cơ mẫu. Ta xét một số động cơ đ ợc chọn là:
Một số loại động cơ đã đ ợc sản xuất :
1. Động cơ của hãng BURMEISTER AND WAIN chế tạo.
Ký hiệu: K98FF;
Công suất có ích Ne = 4100 cv;
Đ ờng kính xilanh D = 98 cm;
Hành trình của piston S = 200 cm;
Số xilanh i = 6 -12;
Vòng quay của động cơ n = 104 (v/p);
Động cơ tàu thủy đảo chiều truyền động trực tiếp, hai kỳ có con tr ợt, kiểu động
cơ chữ F.
2. Động cơ của hãng MITSUBISHI (Nhật) chế tạo
Ký hiệu : UEC 85/180;
Công suất có ích Ne = 3800 cv;
Đ ờng kính xilanh D = 850 cm;
Hành trình của piston S = 180 cm;
Số xilanh i = 9;
Vòng quay của động cơ n = 118 v/p;
Động cơ Điesel hai kỳ, tăng áp bằng tuabin khí xả, quét thẳng qua xupáp, có
guốc tr ợt.
3. Động cơ của hãng MAN (Đức chế tạo)

Hành trình của piston S = 880 mm;
Số xilanh i = 6;
Vòng quay của động cơ n = 210 v/p;
Là động cơ 4 kì, tấp tốc, tăng áp bằng tua bin khí xả.
6

Sau khi tham khảo một số động cơ trên ta thấy động cơ của hãng HANSHIN
chế tạo có nhiều u điểm phù hợp với nhiệm vụ thiết kế.
- Đáp ứng đ ợc công suất.
- Là động cơ thấp tốc không cần hộp số để giảm tốc , kích th ớc nhỏ gọn dễ
bố trí trong buồng máy.
- Là động cơ tăng áp , kích th ơc nhỏ gọn nên công suất lớn.
- Hiệu suất cao.

- 7 -

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 ph ơng pháp cổ điển hoặc ph ơng
pháp mới. Để lựa chọn ph ơng pháp tính cần phải đánh giá các ph ơng pháp
đó.
2.1.1.2. Đánh giá ph ơng 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 đ ợc thông số
môi chất tại các điểm đặc tr ng. Trong quá trình tính chu trình sẽ lựa chọn
đ ợc các hệ số, các chỉ số đặc tr ng 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 ph ơng 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
1
, n
2
; quá trình cấp nhiệt đẳng tích và đẳng
áp thay cho quá trình cháy nhiên liệu đ ợc đặc tr ng bởi tỉ số tăng áp trong
- 9 - quá trình cháy , chỉ số giãn nở sớm . Ngoài ra 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 phần tử vv
Nh vậy, để xây dựng đồ thị công trên hệ toạ độ p-V và p- phải xác định
đ ợc các thông số môi chất tại các điểm đặc tr ng, sau đó dựa vào các


=

nn
a
ai
nn
pp






Từ công thức trên ta thấy rõ, để xác định
i
p

cần phải chọn hoặc tính gần
đúng các thông số: ,,,,,n
1
,n
2
, trong khi đó tất cả các tài liệu đều
không h ớng dẫn rõ đối với loại động cơ cụ thể nên chọn các hệ số trong
giới hạn nào, hoặc cho giới hạn quá rộng, nên việc chọn hệ số không đảm
bảo chính xác, đặc biệt là những ng ời hiểu không sâu môn học này .
Từ cách tính chu trình công tác của động cơ Diesel theo ph ơng pháp cổ
điển có thể rút ra nhận xét sua đây :
- Không xét đ ợc ảnh h ởng của góc phối khí, thực ra trong quá trình

h ởng 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 ph ơng trình vi phân khép kín. Khi các điều kiện
ban đầu và điều kiện biên đã cho, đối với thời điểm bất kì của chu trình hệ
ph ơng 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 l ợng, khối l ợng và các thông số
kết cấu của động cơ .
- 11 - Hiện nay hai ph ơng pháp tính quá trình công tác của động cơ đốt trong
đ ợc sử dụng rộng rãi : Ph ơng pháp cân bằng thể tích do H.M.Glagolev
thiết lập và ph ơng pháp cân bằng năng l ợng do B.M.Gôntrar thiết lập.
Trong đề tài 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 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 ph ơng 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 l ợng cấp cho chu trình dùng để thay đổi năng l ợng và
sinh công. D ới đây ta xét ph ơng trình cân bằng năng l ợng của môi chất
trong thể tích làm việc của xilanh trong quá trình nén, cháy và giãn nở.
Ph ơng trình cân bằng năng l ợng của môi chất đ ợc biểu diễn qua công
thức:

d
dL
d
dU

),rad.
- 12 - Từ sự phụ thuộc nhiệt động học đã biết có thể tính biến thiên nôi năng của
môi chất theo công thức sau :

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

d
dV
p
d
dL
.= (2.3)
m: là khối l ợng môi chất công tác , kg .
C
v
: nhiệt dung riêng đẳng tích , kj/kg.K .
u: nội năng đơn vị của môi chất công tác , kj/kg .

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 l ợng này có thể tính theo công
thức :
- 13 -


d
d
FTTa
d
dQ
d
dQ
vxkcvxvk
w
.) ( ==
(2.6)

vk
: hệ số truyền nhiệt từ vách tới môi chất theo góc quay của trục khuỷu
và bề mặt trao đổi nhiệt đ ợc tính nh

mc

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 đ ợc xác định:

ifs
+= (2.8)

fs
: góc phun sớm nhiên liệu, lấy theo lý lịch động cơ,
0
TK;
i
: góc cháy trì hoãn, tính theo 2.23,
0
TK.
Và l ợng sản vật cháy tăng nên :
m
kcx
=m
r
+g
ct
x+G
o
.g
ct
.x (2.11)
x=


d
d
dx
o
.

: % nhiên liệu cháy ứng với thời điểm xét .


+
+
++= dT
CG

L ợng nhiệt toả ra do cháy phần nhiên liệu cấp ,kW/kg .

d
dx
gQ
d
dQ
ctH
x
=
(2.14)
d
dQ
w
- tính theo (2.7 )
c). Sự thay đổi thông số các môi chất trong quá trình giãn nở.
Trong quá trình giãn nở kết thúc quá trình cấp nhiên liệu vào trong xilanh
nên số hạng thứ hai vế phải (2.12) bằng không, còn khối l ợng sản vật cháy
không đổi cho đến khi mở cửa thải.Trong quá trình này phần nhiệt truyền từ
môi chất cho vách theo công thức (2.7) .
Dựa vào ph ơng trình nói 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 .
Nh vây, trên cơ sở ph ơng trình định luật nhiệt động thứ nhất sẽ xác định
đ ợc áp suất và nhiệt độ môi chất công tác tại thời diểm bất kì của chu trình,
đó là cơ sở tính các thông số công tác của chu trình .
Tuy nhiên vận dụng ph ơng pháp này vào việc xây dựng mô hình và lập
ch ơng trình tính không phải đơn giản .
- 15 -
Q
H
=100.[339.C+1256H-109(O-S)]-r
w
.(9H+W) (2.17)
r
w
=2512kj/kg : nhiệt ẩn hoá hơi của n ớc trong nhiên liệu ứng với áp suất
101.2 kpa .
C,H,O,S,W : hàm l ợng cácbon, hidro, oxi, l u huỳnh n ớc có trong
thành phần nhiên liệu, % :
Với dầu điesel : C=0,87;H=0,126,O=0,004 .
- 16 - -Nhiệt độ không khí sau máy nén tăng áp, oK :

k
k
n
n
KoK
TT
1
.

= (2.18)
K
: tỷ số tăng áp lấy theo lý lịch của động cơ,hoặc động cơ mẫu :
n

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

) (
).(
rar
r
r
PPT
PtT


+
=

(2.22)
: tỷ số nén lý thuyết (lấy theo lý lịch động cơ hoạc động cơ mẫu);
p
r
,T
r
: áp suất và nhiệt độ khí sót, kpa,
0

.
.
2
.
2

+


SDD
(2.24)
D,S : đ ờng kính xilanh và hành trình piston, m;
-Diện tích bề mặt các chi tiết tiếp xúc với môi chất công tác F
vx
, m
2
;
F
vx
=F
0
+ )sin.5.0cos1.(
2
+SD (2.25)


: góc quay của trục khuỷu,rad.
-Thể tích công tác của xilanh V
s
,m

=V
c
+V
s
(2.28)
-Thể tích công tác của xilanh tính theo góc quay của trục khuỷu, m
3
:

22
sin 5,0cos1.( 25,0 ++= SDVV
cvx
) (2.29)

-Khối l ợng riêng không khí sau máy nén:
s
,kg/m
3

s
s
s
TR
P
.
= ( 2.30)
R=278(kj/kmol.K)- hằng số của không khí .
-L ợng không khí khô cần thiết để đốt cháy một kg nhiên liệu L
o
,

1
(2.32)

- 18 - -Hệ số nạp kể đến hàm l ợng ẩm :

d
r
r
rnt
++
+
=



1
1
. (2.33)
n
B
G
G
d = : hàm l ợng ẩm là tỷ số giữa l ợng không khí khô và hơi n ớc nạp
vào trong xilanh trong một chu trình .
-L ợng không khí thực tế nạp vào trong xilanh trong một chu trình
không kể đến hàm l ợng ẩmcủa không khí, kg :


=

(2.36)
-Thời gian cháy trì hoãn
i
tính theo công thức V.X.Xemenov :

294,0
635,0
.).(
4,8217
kfkfm
i
TPC
= (2.37)
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
- 19 -

CTP +=


(2.39)

(
)
kc
Tn
5
10.1685,0394,0

+=
+ 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)

)( 163,1
).416,05,1(
'
m
C
m
mkckcmc
eCf
CfTPK

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

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


Đối với ống lót xilanh: K

;
Đối với ống lót xilanh cũng có thể áp dụng đối với các bề mặt tiếp xúc
với khí cháy các loại động cơ có buồng cháy thống nhất : f(p
k
)=0,8.p
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
tr ờng, MP
a
;
C
m
- tốc độ trung bình piston, m/s;
D - Đ ờng kính xilanh, m;
T
kc

S






+=


2
sin.
2
cos1.5,0 S
( 2.47)
- L ợng nhiệt toả ra và tốc độ toả nhiệt theo công thức Vibe:
Phần trăm nhiệt l ợng toả ra theo góc quay trục khuỷu x:
- 21 -
















+

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




(2.49)

m- chỉ số đặc tr ng cho sự phát triển sự cháy chọn theo thực nghiệm
m=0,3
ữ

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:

nsh

C
m
- ¸p suÊt tæn hao c¬ giíi, Mpa;
§èi víi ®éng c¬ cã buång ch¸y thèng nhÊt: a
m
= 0,088; b
m
= 0,0118;
§èi víi ®éng c¬ cã buång ch¸y tr íc: a
m
= 0,103; b
m
= 0,0135;
§èi víi ®éng c¬ buång ch¸y ph©n c¸ch: a
m
= 0,103; b
m
= 0,015.
- HiÖu suÊt c¬ giíi
m
η :

m
η =
i
e
P
P
(2.55)
- C«ng suÊt cã Ých Ne (kw):

=
miS
sn
pL ηαµ
ρη

3600
0
hoÆc g
e
= g
i
/
m
η (2.57)
- HiÖu suÊt cã Ých:

ctH
e
gQ .
1000.3600
=η hoÆc
mie
ηηη .= (2.58)
-SuÊt tiªu hao nhiªn liÖu trong 1 giê B
h
, kg/h
B
h
=