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 đợc 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 chơng:
Chơng 1 : Tính nhiệt của chu trình công tác động cơ Diesel
Chơng 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. Phơng pháp nghiên cứu của đề tài
4
Mô tả nguyên lí hoạt động của toàn bộ hệ thống từ đó tính toán cụ thể một số
thiết bị trong hệ thống cụ thể.
5. Phạm vi của đề tài

- Thời gian phun nhiên liệu phải hợp lý phải bảo đảm phun hết lợng nhiên liệu. Thời
gian phun kéo dài sẽ làm quá trình cháy không tập trung, có hiện tợng cháy rớt làm
giảm công suất động cơ, giảm tuổi thọ và lãng phí nhiên liệu.
c. Yêu cầu về áp suất phun.
- áp suất phun nhiên liệu phải đủ lớn để đảm bảo nhiên liệu sau khi ra khỏi đầu
phun hoá sơng hoàn toàn và có sức xuyên suốt không gian vùng đốt để hoà trộn với
khí nén trong xi lanh.
- áp suất phun nhiên liệu hoàn toàn phụ thuộc vào kết cấu buồng cháy, kết cấu đầu
phun và loại nhiên liệu.
d. Yêu cầu về trạng thái phun.
- Nhiên liệu phun vào buồng đốt phải đảm bảo sao cho các hạt nhiên liệu phun ra
phải tơi, chùm tia phải phù hợp với hình dáng buồng cháy để hoá hơi tốt.
- Quá trình phun phải dứt khoát, lúc bắt đầu và kết thúc phun không có hiện tợng
nhỏ giọt, sau khi phun xong đầu phun phải khô.
2.1.2. Lựa chọn phơng án thiết kế
Hệ thống nhiên liệu của động cơ đIêzel có kết cấu rất phức tạp và nhiều chi tiết có
độ chính xác cao, cách bố trí kết cấu hệ thống đối với từng động cơ là khác nhau.
Do đó việc lựa chọn phơng án thiết kế dựa trên cơ sở phân loại các hình thức của hệ
thống nhiên liệu nh sau:
2.1.2.1. Hệ thống phun nhiên liệu gián tiếp
1. Sơ đồ
6

1- Két trực nhật, 2- Bầu lọc nhiên liệu, 3- Bơm vận chuyển nhiên liệu,
4- Bơm cao áp, 5- Đờng ống cao áp, 6- Vòi phun
Hình 2.1 - Sơ đồ nguyên lý hệ thống phun gián tiếp
2. Nguyên lý hoạt động
- Thời điểm phun nhiên liệu do cam khống chế thông qua việc dẫn động vòi phun.
- áp lực phun và lợng nhiên liệu do bơm cao áp đảm nhiệm. Bơm 3 lấy dầu từ két 1
đa đến bơm cao áp 4. Bơm cao áp cấp nhiên liệu cao áp lên đờng ống 5 tới các vòi

chỗ không kín khít, vì vậy trớc khi khởi động động cơ phải sử dụng 1 bơm tay hoặc
bơm điện 9 lắp song song với bơm chuyển nhiên liệu 21 để bơm nhiên liệu đầy vào
hệ thống. Sau đó phải khoá van 8 để cắt bơm 9 ra khỏi hệ thống rồi mới khởi động
động cơ.
- u điểm: Kết cấu gọn nhẹ độ tin cậy cao, việc bảo quản chăm sóc vận hành dễ dàng
và độ tin cậy cao.
Ngày nay, hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp đợc sử dụng rất phổ biến bởi những u
điểm vợt trội của nó. Do vậy đề tài này cũng chọn hệ thống này để cấp nhiên liệu
cho động cơ.
2.1.3. Nguyên lý làm việc của hệ thống nhiên liệu
2.1.3.1. Sơ đồ nguyên lý.(sơ đồ Hình 2-2)
2.1.3.2. Nguyên lý làm việc.
Đã trình bày trong mục (2.1.2.2).
2.1.4. Thiết kế hệ thống nhiên liệu
2.1.4.1. Tính toán bơm cao áp.
1. Nhiệm vụ bơm cao áp
Bơm cao áp có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu cho xi lanh động cơ đảm bảo:
- Nhiên liệu có áp suất cao, tạo chênh áp lớn trớc và sau lỗ phun
- 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 lợng nhiên liệu cấp cho chu trình phù hợp với
chế độ làm việc của động cơ.
2. Phân loại bơm cao áp.
9
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 lu 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.

7

5

a- Cöa cÊp, b- R·nh xo¾n, c- Cöa x¶, 1-Cam, 2- Con l¨n, 3- Lß xo, 4- Lß xo cao ¸p,
5- Van cao ¸p, 6- Piston, 7- Thanh r¨ng, 8- Xi lanh
H×nh 2.3 - KÕt cÊu b¬m b« s¬
11
a. Đặc điểm cấu tạo
- Bơm đợc cấu tạo bằng các loại thép hợp kim có khả năng chịu áp suất cao và có
khả năng chịu đợc tải trọng thay đổi theo chu kỳ, và chống mòn tốt nh XBR,
25X5M.
- 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 đợc
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 đợc chọn lắp theo bộ. Trên
xi lanh 8 có lỗ cấp nhiên liệu a và lỗ dầu hồi c. Để điều chỉnh lợng 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 lợng 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 dới.
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 đợc cấp lên đờng 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

in
Neg
V


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 lợng riêng của nhiên liệu ;
nl
= 850 (g/dm
3
)
Thay các giá trị vào công thức đợc kết quả : V
ct
= 0,0023 (lít)
b. Khoảng thời gian phun nhiên liệu (tính từ lúc bắt đầu đến lúc kết thúc cấp)

Trong đó:
Q
tb
- Lu lợng trung bình của 1 tổ bơm
V
ct
-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)
14
Thay các giá trị vào công thức (2-3) đợc kết quả: Q
tb
= 0,575(lít/s)
d. Đờng kính của piston bơm cao áp
pcp
cct
p
C
nV
kd

.6.

4


. n
C

Trong đó:
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 đợc kết quả: d
p
= 30,6(mm)
Chọn theo tiêu chuẩn thì d
p
= 30 (mm) tra bảng đợc 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


11

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- Đờng 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:

5. Tính toán một số thông số cơ bản của vòi phun
a. Tốc độ phun nhiên liệu lớn nhất trong một chu trình
n
V
kQ
P
ct
Max
.6

=
(2-5)
Trong đó :
17
k - Hệ số đánh giá tỷ số giữa tốc độ cung cấp cực đại với độ trung bình; k = 1,2.

p
- Góc quay trục khuỷu từ lúc bắt đầu đến lúc kết thúc cấp
p
= 25
0

V
ct
- Thể tích nhiên liệu cấp cho một chu trình ở chế độ thiết kế V
ct
= 2,3 (cm
3
)
n - Vòng quay thiết kế của động cơ; n = 775 (v/p)

nl
= 0,85 (kg/dm
3
)
P
P
- áp suất nhiên liệu trong thân vòi phun
Chọn P
p
= 35 (MN/m
2
)
P
Z
- áp suất cháy lớn nhất của động cơ P
Z
= 11,7 (MN/m
2
)
Thay các giá trị vào công thức (2-6) đợc kết quả: à
i
.f
i
= 4,8 (mm
2
)
c. Diện tích tiết diện lu thông của một lỗ phun
f
1
= à

.
4

2
0
22
bbk
po
d
P
dd
PA


+

=
(2-9)
Trong đó:
A - Lực ép nhỏ nhất của lò xo
d
k
- Đờng kính phần dẫn hớng của thân van kim
Chọn d
k
= 6 (mm)
P
p0
- áp suất bắt đầu đẩy mở van kim
Chọn P

- áp suất cháy lớn nhất của động cơ; P
Z
= 11,7 (MN/m
2
)
P
cl
- áp suất còn lại trên đờng cao áp sau khi phun; Chọn P
cl
= 11(MN/m
2
)
Thay các giá trị vào công thức (2-10) ta đợc: d
b
= 3,03 (mm);
chọn d
b
= 3 (mm)
Thay các giá trị vào công thức (2-9) ta đợc: A = 317 (MN/m
2
).
f. Độ cứng của lò xo
c =








)
x
k max
- Biến dạng của lò xo xác định từ hệ phơng trình
19














=
0
2
cos.
2
sin.
2
2
cos.
2
sin.

- Tiết diện lu thông của 1 lỗ vòi phun; f
1
= 0,8 (mm
2
)
k - Hệ số; chọn k = 3
Thay các giá trị vào công thức (2-13) ta đợc kết quả f
k
= 2,19 (mm
2
)

k
- Góc côn tựa; Chọn
k
= 60
0

d
x
- Đờng kính van kim; Chọn d
x
= 4 (mm)
Giải hệ phơng trình (2-12) ta đợc: x
Kmax
= 3,11 (mm)
Thay các giá trị vào biểu thức (2-11) ta đợc: c = 240 (N/mm)
g. Đờng kính kim phun d
1


k
=
2
.
4
k
d

(2-16)
Trong đó:
d
k
- Đờng kính phần dẫn hớng của van kim
20
d
1
- Đờng kính kim phun.
Từ các công thức (2-14), (2-15), (2-16) tính đợc: d
1
= 2 (mm)

Hình 2.6 - Kết cấu kim phun
2.1.4.3. Tính chọn bơm thấp áp
1. Nhiệm vụ.
Bơm chuyển nhiên liệu đặt giữa két trực nhật và bơm cao áp. Nhiệm vụ chính của
bơm chuyển nhiên liệu là cung cấp nhiên liệu với một áp suất d để khắc phục sức
cản của các bầu lọc và để tạo điều kiện nạp nh nhau cho các tổ bơm.
2. Cấu tạo
- Hệ thống sử dụng bơm piston để vận chuyển nhiên liệu
21

- Thông thờng bơm chuyển nhiên liệu có thể tạo ra áp suất từ 0,15 ữ 0,2 MN/m
2
.
4. Tính toán bơm chuyển nhiên liệu
Việc tính toán bơm chuyển nhiên liệu là cần xác định đợc lu lợng và cột áp của
bơm. Qua đó lựa chọn bơm có lu lợng và cột áp tơng đơng với giá trị lu lợng và cột
áp đã tính đợc.
a. Lu lợng của bơm
Để đảm bảo nhiên liệu đợc cấp liên tục cho bơm cao áp làm việc ngay cả khi các
bầu lọc bị cáu bẩn gây sức cản lớn quá giới hạn cho phép thì lu lợng của bơm
chuyển nhiên liệu phải lớn hơn 2- 3.5 lần lợng nhiên liệu cực đại cấp cho động cơ.
Chọn : Q = 3,5.G (3-1)
Trong đó :
G- Lợng nhiên liệu cực đại cấp cho động cơ trong 1h (Động cơ quá tải 10%)
G = 1,1.G (3-2)
G - Lợng nhiên liệu cấp cho động cơ chạy ở chế độ định mức trong 1h
G = g
e
.N
e
(3-3)
Trong đó :
g
e
- Suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ; g
e
= 206 (g/KW.h)
Ne - Công suất thiết kế của động cơ; Ne = 1760 (KW)
Thay các giá trị vào công thức (3-1), (3-2), (3-3) đợc kết quả: Q = 1396 (kg/h)
b. Cột áp của bơm

24

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

1- Lâi läc, 2- Lâi lôc l¨ng, 3- èng dÉn, 4- Guj«ng, 5- PhiÕn trßn, 6- PhiÕn h×nh sao,
7- §Çu nèi èng vµo, 8- §Çu nèi èng ra, 9- N¾p, 10- PhiÕn kim lo¹i, 11- Cèc.
H×nh 2.8 - KÕt cÊu bÇu läc th«
25

15

10- Lới lọc, 11,15- Lò xo, 12- Êcu, 13- Đĩa, 14- Gujông
Hình 2.9 - Kết cấu bầu lọc tinh
3. Nguyên lý hoạt động
Gồm 2 bầu lọc nối tiếp nhau:
- Bầu lọc thô: Đặt giữa thùng nhiên liệu và bơm vận chuyển. Các phiến tròn 5 và
phiến hình sao 6 xếp xen kẽ nhau. Phiến tròn dầy 0,15 mm xung quanh có 6 lỗ hình
ô van, các phiến hình sao dày 0,07 mm.
26
Do các phiến xếp xen kẽ nhau nên tạo các khe hở 0,07mm. Nhiên liệu sau khi vào
không gian của vỏ 11 sẽ đi qua các khe hở. Những tạp chất có kích thớc từ 0,07mm
trở lên thì bị giữ lại. Nhiên liệu sạch đi theo các lỗ ô van trên phiến tròn đi lên nắp
bầu lọc và đi tới bơm chuyển nhiên liệu qua đầu nối 8.
- Bầu lọc tinh: Các phiến 4 làm bằng sợi bông mịn hơn các phin lọc 3. Các phiến 4
và 3 xếp xen kẽ nhau rồi lồng ra ngoài bao lụa 16 và lới lọc 10. Nhiên liệu sau khi
ra khỏi bơm đợc chuyển vào bầu lọc qua đầu nối 8. Nhiên liệu sẽ thấm qua phiến
3,4 và rồi qua bao lụa 16, lới lọc 10 vào không gian lới lọc. Dầu sạch từ lõi lọc theo
đờng ống 9 tới đầu nối 8 rồi đi tới bơm cao áp.
4. Tính toán bầu lọc
Đối với bầu lọc nhiên liệu trớc hết phải tính toán năng lực thông qua rồi căn cứ vào
đó để chọn loại bầu lọc cho phù hợp.
Lợng nhiên liệu cần lọc qua bộ lọc khi động cơ làm việc ở chế độ quá tải 10% là:


'
1
G
=
(4-1)
Trong đó:


và dới tác
dụng của dao động phụ tải đột ngột ống không bị nứt vỡ.
- Vật liệu chế tạo ống là thép 10 hoặc thép 20, đờng kính trong 2 ữ10cm khi chọn
ống cần chú ý đến tốc độ nhiên liệu chạy trong ống. Tốc độ này vào khoảng 60ữ80
m/s là đạt yêu cầu.
- Chỗ nối ống phải tháo nắp đợc nhng không đợc để rò rỉ nhiên liệu.
- Các đờng ống dẫn nhiên liệu áp suất thấp chế tạo bằng đồng đỏ hoặc thép.
6. Tính toán két trực nhật
a. Nhiệm vụ của két trực nhật
Trực tiếp cung cấp nhiên liệu sạch cho động cơ dùng hàng ngày. Thể tích két phảI
đảm bảo cho động cơ làm việc ở chế độ thiết kế trong khoảng 4 ữ24 giờ.
b. Tính thể tích két
Thể tích két trực nhật đợc tính theo công thức sau:
T
G
kV

=
(6-1)
Trong đó:
V- Thể tích két trực nhật
k - Hệ số dự trữ két; chọn k = 1,1
G -Lợng nhiên liệu động cơ tiêu thụ trong 1h; G = 362 (kg/h)
- Trọng lợng riêng của nhiên liệu; = 0,85.10
3
(kg/m
3
)
T - Thời gian đảm bảo cho động cơ làm việc; chọn T = 8h
Thay các giá trị vào công thức (6-1) ta đợc kết quả: V = 3,75 (m