L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
CHƯƠNG I
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
9
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
1.1. Lựa chọn công thức và chương trình tính
Phần tính nhiệt của động cơ sử dụng chương trình tính tự động theo phần
mềm QB. Tên đầy đủ là: “ Chương trình tính nhiệt độ trung bình của chu trình công
tác”, thuộc đề tài nghiên cứu khoa học: “Nghiên cứu mô phỏng chu trình công tác
của động cơ Diesel”. Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Lê Viết Lượng.
1.1.1. Các thông số nhập vào chương trình
− Nhiệt độ môi chất đầu quá trình nạp P
a
= 195.000 (Pa);
− Nhiệt độ môi trường T
0
= 303 (
0
K);
− Áp suất môi trường P
0
= 130.300 (Pa);
− Lượng cấp nhiên liệu b = 575 (kg/h);
− Tỉ số nén ε = 12,5
− Nhiệt độ khí sót T
r

m
=
(m/s);
− Hệ số khí sót
γ
r
=
)(
.
0
ra
r
r
s
PP
P
T
TT
−
∆+
ε
trong đó:
+
0
T∆
_ Nhiệt độ sấy nóng khí nạp mới vào xilanh:
CT
o
)105(
0





=
− Nhiệt độ không khí cuối quá trình nạp.
T
a
=
r
rrk
TTT
γ
γ
+
+∆+
1
0
− Diện tích bề mặt xung quanh thể tích công tác khi piston ở ĐCD
12
2
0
−
+=
ε
ππ
DSD
F
(m
2

=
ε
sc
VV
(m
3
);
− Thể tích công tác của xilanh ở ĐCD
asa
VVV +=
(m
3
);
− Thể tích công tác tính theo góc quay trục khuỷu
)sin5,0cos1(25,0
2
ϕλϕπ
+−+= DSVV
cvx
(m
3
);
− Lượng không khí khô lý thuyết để đốt cháy hoàn toàn một kg nhiên liệu
L
0
=
21,0
1
32
0

1
1
trong đó:
d_ Hàm lượng ẩm,
n
B
G
G
d =
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
11
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
B
G
_ Lượng không khí khô nạp vào xilanh trong một chu trình
n
G
_ Lượng không khí ẩm nạp vào xilanh trong một chu trình
− Lượng không khí thực tế nạp vào xilanh trong một chu trình (không kể đến
hàm lượng ẩm của không khí)
sncB
VG
ρη
=
(kg);
− Hệ số dư lượng không khí không kể đến hàm lượng ẩm
0

635,0
4,8217
kfkfm
i
TPC
=
τ
trong đó:
+
kf
T
_ Nhiệt độ trong xilanh lúc bắt đầu phun nhiên liệu;
+
kf
P
_ Áp suất trong xilanh lúc bắt đầu phun nhiên liệu;
− Hệ số truyền nhiệt từ vách qua ống lót xilanh
4
4
3
12,1 DCTP
mkckccm
=
α
trong đó:
+
kc
T
_ Nhiệt độ cháy;
+
















−
−=
+1
908,0exp
m
z
x
ϕ
γϕ
− Các thông số đặc trưng cho chu trình công tác
+ Áp suất chỉ thị trung bình
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
12

+ Hiệu suất chỉ thị
Hsn
iss
i
QP
PTLR
η
αµ
η
0
=
; (%)
+ Áp suất có ích trung bình
mic
PPP −=
;
+ Hiệu suất cơ giới
i
c
m
P
P
=
η
;
+ Công suất có ích của động cơ
mie
NN
η
.=

Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
13
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
− Áp suất chỉ thị trung bình
i
P
= 3,013 (MPa);
− Công suất chỉ thị
i
N
= 2678,78 (kW);
− Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị
i
g
= 0,2189 (kg/kWh);
− Hiệu suất chỉ thị
i
η
= 0,393
− Áp suất có ích trung bình
c
P
= 2,8117 (MPa);
− Hiệu suất cơ giới
m
η
= 0,933
− Công suất có ích của động cơ

sử dụng:
+ Cơ cấu phân phối khí kiểu xupap
+ Cơ cấu phân phối khí kiểu van trượt
+ Cơ cấu phân phối khí kiểu xupap và van trượt.

3
1
2
4
a b
Hình 2.1. Cơ cấu phối khí kiểu xupap (a); kiểu van trượt(b).
1-Block; 2- Xilanh; 3- Píston; 4- Cửa nạp; 5- Cửa xả;
6- Xupap; 7- Gugiông; 8- Nắp xilanh.
− Cơ cấu phân phối khí kiểu xupap: Cơ cấu phân phối khí kiểu xupap được sử dụng
rộng rãi vì cơ cấu này đơn giản, đảm bảo tính an toàn, tin cậy trong quá trình làm
việc. Cơ cấu này gồm có: Trục phân phối khí, hệ thống truyền động cho nó, con đội,
thanh đẩy, đòn gánh, các xupap nạp, xả và đế xupap. Cơ cấu này sử dụng cho động
cơ bốn kỳ.
− Cơ cấu phân phối khí kiểu van trượt có ưu điểm như: đảm bảo tiết diện lưu thông,
dễ dàng làm mát cơ cấu phối khí, độ ồn nhỏ nhưng kết cấu phức tạp, giá thành cao và
chủ yếu sử dụng sử dụng trong động cơ hai kỳ quét vòng.
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
15
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
Hình 2.2. Cơ cấu phối khí kiểu xupapvà van trượt
1- Block; 3- Píston; 5- Cửa xả; 7- Gugiông
2- Xilanh; 4- Cửa nạp; 6- Xupap; 8- Nắp xilanh.

+ Kết cấu buồng cháy không gọn nên nhiệt lượng tổn thất lớn làm giảm
hiệu suất
+ Việc tăng tỉ số nén rất khó khăn nên ít được sử dụng.
− Phương án bố trí xupap treo được sử dụng rộng rãi trong động cơ Diesel 4 kì
và một số động cơ xăng.
Ưu điểm:
+ Kết cấu buồng cháy nhỏ gọn, do đó tăng được lượng nhiệt dùng cho
quá trình cháy.
+ Tăng tỉ số nén một cách dễ dàng.
Nhược điểm:
+ Các chi tiết chuyển động gây nhiều độ ồn lớn.
+ Chế tạo phức tạp hơn.
+ Làm tăng chiều cao của động cơ.
Kết luận :
Với những ưu, nhược điểm nêu trên, chọn kết cấu phân phối khí kiểu xupap
và phương án bố trí xupap là xupap treo.
2- Bố trí xupap trên nắp xilanh
a) Loại hai xupap
Đây là loại dùng nhiều nhất, trong động cơ bốn kì có một xupap xả và một
xupap nạp.
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
17
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
a b c
Hình 2.4. Bố trí hai xupap trên nắp xilanh
Hình a: Xupap bố trí song song với đường trục, loại này dùng một cam để
truyền động.

− Nguyên lí hoạt động : Dẫn động cơ giới cho xupap bằng cơ cấu con đội, đũa
đẩy, đòn bẩy (cò mổ). Đây là các cơ cấu động. Cụ thể là cơ cấu này nhận chuyển
động quay của trục cam dưới tác động của mặt cam lên con đội và đũa đẩy, làm con
đội và đũa đẩy sẽ chuyển động lên xuống. Đầu còn lại của đũa đẩy được liên kết
động với một đầu của đòn bẩy. Đòn bẩy được cấu tạo sao cho có thể quay quanh một
trục gắn cứng, khi đó đầu còn lại của đòn bẩy sẽ trực tiếp tác dụng lên mặt tiếp xúc
của đuôi xupap, làm xupap chuyển động lên xuống với một giới hạn thích hợp. Giới
hạn đó gọi là hành trình của xupap.
− Ưu điểm của phương pháp này là: Cơ cấu dễ chế tạo, giá thành rẻ, có thể
ứng dụng với nhiều loại động cơ tàu thuỷ.
− Nhược điểm chính của phương pháp này là tồn tại khe hở nhiệt lớn, do đó sẽ
gây ra hiện tượng va đập mạnh làm các chi tiết nhất là chỗ tiếp xúc nhanh bị biến
dạng và gây ra tiếng kêu trong quá trình hoạt động.
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
19
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
b. Dẫn động thuỷ lực cho xupap (hình 2.8) :
Hình 2.8. Cơ cấu dẫn động thuỷ lực cho Xupap
1- Trục cam; 2- Con đội; 3- Lò xo; 4- Ống dẫn;
5- Nút xả; 6- Ống dẫn hướng xupap; 7-Đế xupap.
− Ưu điểm : Để tránh va đập giữa đầu đòn gánh và xupap, cơ cấu dẫn động
cho xupap thải của động cơ bốn kì được chế tạo thêm bộ giảm chấn thuỷ lực, tự động
điều chỉnh khe hở nhiệt của xupap. Phương pháp này có độ tin cậy cao và cấu tạo
đơn giản. Việc giảm khối lượng các phần động sẽ hạn chế được lực quán tính của cơ
cấu dẫn động cho xupap và giảm được độ mài mòn các bề mặt làm việc của xupap
gây ra do tác động của các xung lực.
− Nguyên lí hoạt động: Cơ cấu này được sử dụng cho các động cơ Diesel hiện

( )
h
dh 35,025,0
1
÷=
mm
− Chiều rộng mặt nấm tiếp xúc với đế xupap :
( )
53 ÷=e
mm
− Đường kính ngoài của nấm xupap :
edd
h
2+=
mm
− Góc nghiêng của xupap :
( )
0
4530 ÷=
α
− Đường kính đầu xupap :
d
d
= (0,18 ÷ 0,25)d
h
− Bán kính góc lượn, r = 20
0
Kết quả :
d
h

dhh 3,018,0
max
÷==
mm
h = 21 mm
Kết quả :
f = 4731,195 mm
2
2.3. Xây dựng đồ thị thời gian tiết diện hình học
Sau khi chọn được hình dáng, kích thước, phương hướng và góc phối khí của
các xupap nạp, xupap thải, ta xây dựng đồ thị thời gian tiết diện:
Khi đường kính và góc côn của nấm xupap đã xác định, tiết diện lưu thông tức
thời của xupap quyết định bởi quy luật động học của cam phân phối khí và pha phân
phối khí
Dựa vào phương trình xác định tiết diện lưu thông:
)cossincos(
2
αααπ
hdhf +=
( )
ααπ
2sin5,0cos hdhf +=
Trong đó :
h: Hành trình của xupap, trị số h phụ thuộc vào biên dạng cam
d: Đường kính ngoài của nấm xupap, d = 92 (mm);
α: Góc nghiêng của xupap, α = 45
0
Ta sẽ xây dựng đồ thị thời gian tiết diện hình học dựa vào hành trình của
xupap. Muốn vậy, ta phải xác định được quy luật của độ nâng xupap biến thiên theo
góc quay của trục cam.

90°

100°
110°

120°

130°

140°

150°

160°

170°

180°
10°

30°

h
max
h
max
Hình 2.10. Độ nâng xupap biến thiên theo góc quay trục cam
Độ nâng xupap biến thiên theo góc quay trục cam được ghi trong bảng 2.1
Bảng 2.1:Sự thay đổi của độ nâng xupap và tiết diện
lưu thông theo góc quay truc cam

quay
trục
cam
Độ nâng
xupap
Tiết diện
lưu thông
150 0,1529 31,275
160 0 0
170 0 0
180 0 0
Từ bảng 2.1, ta vẽ được đồ thị thời gian tiết diện hìnhhọc(hình2.11)

f
0
90 180
α
°
f
Hình 2.11. Đồ thị thời gian tiết diện hình học
2.4. Xác định trị số thời gian tiết diện của các thời kì
2.4.1. Các thông số trong quá trình trao đổi khí
a- Quá trình nạp
− Áp suất môi chất trong xilanh lúc bắt đầu mở xupap nạp
P
H
= P
a
P
a

TT
m
m
k
k
∆−








=
−
Trong đó :
m: Chỉ số nén đa biến, với máy nén ly tâm và tăng áp bằng Tuabin khí thải
m = 1,4 ÷ 1,6
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
24
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
∆T: Nhiệt độ làm mát ( nếu có), ∆T = 50 (
0
C);
P
0

_ Hệ số dư lượng không khí nạp lí thuyết, ϕ
0
= (1,4 ÷ 2,4);
ϕ
0
= 2
Kết quả :
K
ϕ
= 1,063
– Hệ số nạp
)1(

1
.
1
r
v
Ta
Tk
Pk
Pa
γε
ε
λη
+−
=
v
η
=1,016

k
- P
th
) + P
th

trong đó :
a-Hệ số giảm áp, với động cơ thải bằng xupap
a = (0,5 ÷ 0,9)
a = 0,7
Kết quả :
P
N
= 0,2064 (MPa).
− Nhiệt độ sản vật cháy trong xilanh lúc bắt đầu thải cưỡng bức
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
25
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
m
m
b
N
bN
P
P
TT
1

th
và trong bình khí nạp P
k
luôn không thay đổi.
Thời gian tiết diện của thời kì thải tự do gồm hai giai đoạn :
+ Thời gian tiết diện của thải sớm: A
ts
0
+ Thời gian tiết diện của thải tự do: A
td
0
a) Trị số thời gian tiết diện của thời kì thải sớm
Tốc độ lưu động của dòng khí qua cửa thải của giai đoạn này đạt tốc độ giới hạn
bằng tốc độ truyền âm của khí thải ở trạng thái giới hạn, phụ thuộc thông số trạng
thái của sản vật cháy trong xilanh.
Trị số thời gian tiết diện cần của thời kì thải sớm :















2
s);
Trong đó :
V
TB
: thể tích trung bình của xilanh lúc bắt đầu mở cửa thái đến lúc bắt đầu mở cửa
quét ; (m
2
s)
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
26
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
V
TB
= (V
b
+V
H
)/2 (m
2
s);
Với : V
b
: Thể tích của xilanh lúc bắt đầu mở cửa thải;
V
b
= (S-h








−−








+








=
b
N
N
th

÷=
td
td
A
A
td
td
A
A
0
= 1,05 ⇒ Thoả mãn
2.4.3. Xác định trị số thời gian tiết diện của các thời kì thải cưỡng bức :
Trị số thời gian tiết diện của thời kì thải cưỡng bức được xác địng bằng công thức :
)(
N
NN
b
bb
k
K
h
Ntt
n
t
RT
VP
RT
VP
v
V

= 880,25 (
0
K);
T
n
: Nhiệt độ trung bình của khí trong xilanh trong suốt thời kì nạp thải cưỡng
bức
2
kN
n
TT
T
+
=
(
0
K);
R: Hằng số, R = 287 (Jkg/độ);
t
γ
: Hệ số lưu lượng tính toán,
=
t
γ
0,6 (tra bảng);
t
ψ
: Hàm số lưu lượng
VŨ THANH NGÂN
Trang:


−
=
+
k
k
N
th
k
N
th
t
p
p
p
p
k
k
12
1
2
ψ
k_ Hệ số đoạn nhiệt, (với sản vật cháy) k = 1,3;
Kết quả :
t
A
= 0,00036582 (m
2
s).
Kiểm tra lại theo công thức :

s)
trong đó :
0
σ
: Hệ số dư lượng khí nạp,
0
σ
= 1,6 ;
V
H
: Thể tích công tác của xilanh
4
2
D
V
H
π
=
k: Chỉ số nén đoạn nhiệt, k = 1,4 (với không khí);
q
ψ
: Hàm lưu lượng









p
p
p
p
k
k
12
.
1
.2
ψ
q
µ
: Hệ số lưu lượng của cơ cấu nạp
( )
75,07,0 ÷=
q
µ
(với động cơ nạp thẳng);
75,0=
q
µ
Kết quả :
0
q
A
= 0,00001632 (m
2
s).
Kiểm tra lại theo công thức :

− Cường độ của quá trình làm việc (đặc biệt là quá trình thải khí), mức độ tải
trọng cũng như tốc độ quay của động cơ làm cho điều kiện làm việc của xupap thêm
nặng nề vì làm tăng thêm lượng nhiệt đi qua xupap và lực quán tính của các chi tiết
trong cơ cấu phối khí cũng tăng lên.
− Kết cấu của nắp xilanh (đặc biệt là ở những vùng bố trí ổ đặt và phần dẫn
hướng của xupap) cần bố trí cho các thành vách trong xilanh có bề dầy đều nhau,
tránh gây biến dạng cho vùng đặt ổ xupap. Nếu bị biến dạng, xupap sẽ không thể đậy
kín, cả mép vát xupap lẫn ổ đặt của nó sẽ bị cháy dần, làm mất tác dụng kín khít của
cặp lắp ghép này.
− Kết cấu của xupap phải đảm bảo thoát nhiệt tốt.
− Kết cấu của các chi tiết truyền động cho xupap cần đảm bảo cho các lực tác
dụng có phương trùng với đường tâm xupap, tránh làm cong xupap.
− Vật liệu chế tạo xupap cần có cơ tính tốt, phải bền, dẻo và chịu được ở nhiệt
độ cao, thép crôm hoặc thép niken có nhiệt luyện.
3.2. Xupáp
3.2.1. Phương án bố trí Xupáp
Các động cơ đốt trong có cơ cấu phối khí dùng xupap ngày nay đều bố trí
xupap theo một trong hai phương án chủ yếu là bố trí xupap đặt và xupap treo. Đối
với động cơ diesel 4 kì, cơ cấu phối khí thường dùng xupáp treo.
Độngcơ Diesel chỉ dùng phương án bố trí xupap treo vì dung tích buồng cháy
của động cơ Diesel nhỏ, tỉ số nén rất cao. Khi dùng cơ cấu phân phối khí xupap treo,
buồng cháy rất gọn, diện tích mặt truyền nhiệt nhỏ. Vì vậy giảm được tổn thất nhiệt
và tăng hiệu suất động cơ. Cơ cấu phân phối khí xupap treo còn làm cho dạng đường
nạp thải thanh thoát hơn khiến sức cản khí động nhỏ. Đồng thời, do có thể bố trí
xupap hợp lí hơn, nên có thể tăng được tiết diện lưu thông của dòng khí. Những điều
đó làm cho hệ số nạp tăng lên 5% ÷ 7%.
Tuy vậy, cơ cấu phân phối khí xupap treo cũng tồn tại một số khuyết điểm cơ
bản của cơ cấu này là dẫn động xupap phức tạp và làm tăng chiều cao của động cơ.
Ngoài ra, bố trí xupap treo làm cho nắp xilanh trở nên hết sức phức tạp, rất khó đúc
và độ ồn lớn.

xupap phải lớn, đồng thời khối lượng vận động phải bé.
− Để đảm bảo được tính năng làm việc thì nhiệt độ của xupap không được quá
cao.
− Xupap ngoài yêu cầu làm kín tốt ra, thì phải đảm bảo tổn thất lưu động là
nhỏ.
− Vật liệu dùng để chế tạo xupap phải có sức bền cơ học cao, chịu nhiệt tốt,
chống được ăn mòn hoá học và hiện tượng xâm thực của dòng khí thải khi ở nhiệt độ
cao.
− Để nâng cao tính chống mòn, chống gỉ mặt nấm của xupap, người ta còn
thường mạ lên bề mặt làm việc của nấm xupap một lớp hợp kim cứng (hợp kim
coban) dày khoảng 1,5 ÷ 2,5 mm.
Với các yêu cầu trên, vật liệu dùng để chế tạo xupap thường dùng các loại
thép hợp kim: X9C2, X10CM, X12H7C…
3.2.4. Cơ cấu dẫn động cho Xupáp
a) Nhiệm vụ của cơ cấu truyền động
Nhiệm vụ chính của cơ cấu này là đảm bảo cho xupap đóng mở đúng lúc và
chuyển động theo một quy luật nhất định.
b) Phương pháp dẫn động cho Xupáp:
− Với động cơ này em chon phương án dẫn động bằng cơ giới: (hình 3.1)
− Nguyên lí hoạt động: (đã trình bày ở chương II).
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
31
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL

Hình 3.1. Cơ cấu dẫn động cơ giới cho xupap
1- Trục cam ; 2- Con đội ; 3- Đũa đẩy ; 4- Cò mổ ; 5- Xupap
Từ những phân tích ở trên và từ điều kiện áp dụng thực tế, đối với động cơ 4

cd
(mm);
Trong đó :
h
cd
: Hành trình lớn nhất của con đội
i
h
h
xp
cd
=
h
xp
: Hành trình lớn nhất của xupap, h
xp
= 21 (mm);
i: Tỉ số truyền, i = 1 ÷ 1,4
i = 1
Kết quả :
K = 0,84 (mm).
3.2.5. Kết cấu Xupáp
Xupap được chia làm 3 phần :
− Nấm xupap (đầu)
− Thân xupap
− Đuôi xupap
a) Nấm xupáp
Hình dáng và kết cấu của nấm xupap ảnh hưởng đến:
− Tính cứng chắc của nấm xupap. Đó là yếu tố quan trọng để đảm bảo hình
dáng của xupap chính xác lúc động cơ làm việc, ảnh hưởng gián tiếp đến năng lực