MỤC LỤC
Chương, mục Tên thư mục Trang số
Nhiệm vụ thư 2
Mục lục 6
Danh mục các ký hiệu 8
Danh mục các hình vẽ 14
MỞ ĐẦU 15
1 Tính thời sự của đề tài 15
2 Mục đích của đề tài 15
3 Nội dung chính của đề tài 15
4 Phương pháp nghiên cứu của đề tài 16
5 Phạm vi nhiên cứu của đề tài 16
6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 16
Chương 1 TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL 17
1.1 Lựa chọn công thức và chương trình tính 18
1.1.1 Đánh giá phương pháp cổ điển tính chu trình
công tác của động cơ Diesel
18
1.1.2 Phương pháp cân bằng năng lượng 19
1.1.3 Một số công thức dùng trong quá trình tính toán 22
1.1.4 Lựa chọn chương trình tính 26
1.1.5 Các thông số nhập vào chương trình tính 26
1.1.6 Chương trình tính nhiệt 26
1.2 Kết quả từ chương trình tính 27
Chương 2 THIÊT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ CỦA
ĐỘNG CƠ HAI KỲ CÔNG SUẤT 5880 KW
28
2.1 Lựa chọn hệ thống trao đổi khí 29
2.1.1 Hệ thống quét vòng 29
2.1.2 Hệ thống quét thẳng 29
3.3.4 Kết cấu của đế Xupap 53
3.4 Ống dẫn hướng Xupap 54
3.4.1 Nhiệm vụ và điều kiện làm việc 54
3.4.2 Vật liệu chế tạo 54
3.4.3 Bôi trơn ống dẫn hướng Xupap 54
3.4.4 Kết cấu ống dẫn hướng Xupap 55
3.5 Lò xo Xupap 55
3.5.1 Nhiệm vụ và điều kiện làm việc 55
3.5.2 Vật liệu chế tạo 55
3.5.3 Kết cấu lò xo Xupap 55
3.5.4 Kiểm nghiệm bền cho lò xo Xupap 58
3.5.5 Kiểm nghiệm ứng suất mỏi 61
3.5.6 Kiểm nghiệm dao động cộng hưởng 62
3.6 Trục cam 63
3.6.1 Nhiệm vụ và điều kiện làm việc của trục cam 63
3.6.2 Vật liệu chế tạo 63
3.6.3 Phương án dẫn động trục cam 66
3.6.4 Các kích thước sơ bộ của trục cam 64
3.6.5 Xác định dạng cam 66
3.6.6 Kiểm tra bền cho trục cam 68
3.7 Tính chọn bơm và đường ống 71
KẾT LUẬN 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO 73
CÁC BẢN VẼ DÙNG ĐỂ BÁO CÁO
TỐT NGHIỆP
7
CHƯƠNG 1
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
8
1.1. Lựa chọn công thức và chương trình tính
Với phương pháp này rất khó nghiên cứu các thông số công tác khi động cơ làm việc
theo các đường đặc tính điều chỉnh, đặc tính bộ phận, đặc tính chong chóng và ảnh hưởng của
điều kiện khai thác tới chất lượng làm việc của động cơ.
1.1.2. Phương pháp cân bằng năng lượng
Động cơ Diesel tầu thuỷ hiện đại chủ yếu là động cơ tăng áp bằng tua bin khí xả. Các
quá trình công tác trong Xilanh động cơ và trong Tuabin máy nén có mối liên hệ phụ thuộc
lẫn nhau, điều đó phương 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
hưởng 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 phương pháp cân bằng năng lượng để nghiên cứu. Để áp
dụng phương 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 môi chất trong Xilanh là một hệ thống nhiệt động
cân bằng. Nếu bỏ qua sự dò lọt môi chất qua xéc măng trong quá trình nén và giãn nở thì hệ
thống nhiệt động là hệ kín.
Như vậy, với phương pháp này thì môi chất trong thể tích làm việc của xilanh trong
quá trình luôn tuân theo định luật thứ nhất.
Phương trình cân bằng năng lượng của môi chất được biểu diễn thông qua công thức:
ϕϕϕ
d
dL
d
dU
d
dQ
+=
(KT
0
/TK); (1.1)
trong đó:
9
Biến thiên nội năng của môi chất tính theo công thức:
ϕϕϕ
d
dm
u
d
dT
mCv
d
dQ
+=
(1.2)
Độ thay đổi công tính theo công thức:
ϕϕ
d
dV
p
d
dl
=
(1.3)
trong đó:
− m : Khối lượng 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 Xilanh ;
− V : Thể tích môi chất công tác, (m
3
Vr
= c + dT ;
c = 21,81; d = 0,003853 .
Nhiệt lượng các chi tiết truyền cho môi chất tính theo công thức:
ϕ
τ
α
ϕϕ
d
d
FvxTkcTvx
d
dU
d
dU
vk
)( −==
(1.6)
trong đó:
−
vk
α
: 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 một chu trình ở chế độ định mức , T
VX
ϕϕ
. (1.7)
2− Sự thay đổi các thông số trong quá trình cháy
Góc bắt đầu cháy nhiên liệu tính theo công thức
ifs
ϕϕθ
+=
(1.8)
trong đó:
−
fs
ϕ
: Góc phun sớm nhiên liệu lấy theo lý lịch động cơ ;
−
i
ϕ
: Góc cháy trì hoãn, (
0
TK);
Khối lượng môi chất kể cả sản vật cháy tính theo công thức:
ϕϕ
d
dx
g
d
dm
ct
=
(1.9)
trong đó:
d
d
dx
X
∫
=
0
(1.12)
Nhiệt lượng cấp cho môi chất công tác ,
ϕϕϕ
d
dQ
d
dQ
d
dQ
X
W
+=
¦
(1.13)
Lượng nhiệt toả ra do cháy phần nhiên liệu cấp (kW/kg);
ϕϕ
d
dx
gQ
d
dQ
ctH
X
trong đó:
+ C,H,O,S,W : Hàm lượng phần trăm của các chất theo trọng lượng có
trong nhiên liệu
+ r
W
: Nhiệt ẩm hoá hơi của nước trong nhiên liệu ứng với áp suất 101,2 (kPa);
r
W
= 2512 (kJ/kg );
− Nhiệt độ của không khí sau máy nén tăng áp
k
k
n
n
Kk
TT
1
0
.
−
=
π
(
0
K ); (1.18)
trong đó:
+
k
π
: Tỉ số tăng áp
K
π
- ∆.P
lm
(1.20)
+ ∆P
lm
: Độ giảm áp suất áp trong bầu làm mát
− Áp suất không khí cuối quá trình quét.
s
w
sa
Tw
C
pp
2
52
576
10
−=
(1.21)
− Hệ số khí sót
)(
)(
rar
rs
r
PPT
PtT
−
12
2
0
−
+=
ε
π
π
DSD
F
(1.24)
− Diện tích bề mặt của các chi tiết tiếp xúc với môi chất công tác
)sin5,0cos1(5,0
2
0
ϕλϕππ
+−−+= DSDSFF
vx
(1.25)
trong đó:
+ ϕ : Góc quay khuỷu,
− Thể tích công tác của Xilanh,
12
2
4
1
SDV
S
π
=
ρ
(1.30)
trong đó:
+ R : Hằng số của không khí, R = 287 kJ/(kmol.K);
− Lượng không khí khô cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu,
−++=
323241221,0
1 OSCC
L
o
(kmol/kg); (1.31)
− Hệ số nạp không kể đến hàm lượng ẩm,
ras
sa
H
TP
TP
γε
ε
η
+−
=
1
1
B
=
α
(1.35)
− Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu
00
LG
S
µ
=
(1.36)
− Khối lượng của 1 mol không khí ,
96,28=
S
µ
(kg/kmol);
− Hệ số dư lượng không khí α có kể đến hàm lượng ẩm,
d61,11
1
+
=
α
α
(1.37)
− Thời gian cháy trì hoãn tính theo công thức của V.X.Xêmnov,
( )
294,0
635,0
4,8217
kfkfm
− Bề mặt trao đổi nhiệt tức thời của vách với môi chất công tác,
+
−
+=
ϕ
ε
π
π
S
S
D
D
F
w
12
2
(1.40)
trong đó:
+ S
ϕ
: Độ dịch chuyển tức thời của Piston,
)sin5,0cos1(5,0
2
θϕ
(1.42)
− Tốc độ toả nhiệt theo góc quay trục khuỷu ,
−
−
−+
: Góc cháy ban đầu ,
θ
=
fs
ϕ
+
i
ϕ
,
+
fs
ϕ
: Góc phun sớm nhiên liệu,
+
i
ϕ
: Thời gian cháy trễ của nhiên liệu.
− Áp suất chỉ thị trung bình
S
i
i
V
L
P =
(1.44)
trong đó:
+ L
i
: Công chỉ thị của chu trình
− Công suất chỉ thị
0
=
(1.47)
− Áp suất có ích trung bình
mic
P - P P =
(1.48)
trong đó:
+ P
m
: Áp suất tổn hao cơ giới
− Hiệu suất cơ giới
i
c
m
P
P
=
η
(1.49)
− Công suất có ích
mie
NN
η
=
(1.50)
− Suất tiêu hao nhiên liệu có ích
m
i
e
0
K);
− Áp suất môi trường P
0
= 103.000 (Pa);
− Số Xilanh i = 6
− Tỉ số nén ε = 14
− Vòng quay của động cơ n = 170 (v/p);
− Đường kính Xilanh D = 350 (mm);
− Hành trình Piston S = 1400 (mm).
1.1.6. Chương trình tính nhiệt
Phần chương trình chạy tính nhiệt của động cơ em để cuối luận
văn và không đánh số trang.
1.2. Kết quả từ chương trình tính
− Nhiệt độ cực đại của chu trình
T
zmax
= 2128,66 (K);
− Áp suất cực đạicủa chu trình
P
zmax
= 16,637 (Mpa);
− Áp suất chỉ thị trung bình
15
i
P
= 2,622 (MPa);
− Công suất chỉ thị
i
N
Hình:2.1 . Hệ thống quét vòng
Chú thích : 1 – Xilanh;
2 – Dòng khí;
3 – Piston.
Dòng khí quét theo đường vòng, lúc đầu từ khu vực
ĐCD của Piston men theo thành Xilanh đi lên, tới nắp Xilanh rồi đảo
chiều 180
0
rồi đi xuống ngược với chiều cũ. Các cửa thải và cửa quét của
hệ thống quét vòng đều được ở phần dưới của Xilanh, tại khu vực gần
ĐCD của đỉnh Piston, do Piston điều khiển đóng và mở.
Nhược điểm của phương pháp này là:
+ Hành trình của dòng khí dài.
+ Do dòng khí chạy vòng nên xảy ra hiện tượng không khí có lẫn
sản vật cháy.
2.1.2. Hệ thống quét thẳng (Hình: 2.2)
Quét thẳng là dòng khí quét theo đường thẳng từ dưới đi lên. Các cơ
cấu quét và thải (cửa khí hoặc Xupap) của hệ thống quét thẳng được đặt ở hai
17
đầu của Xilanh. Điều khiển việc đóng mở các cửa khí là do Piston hoặc Xupap
dùng trục cam.
Có hai loại :
+ Hệ thống quét thẳng qua cửa thải dùng trong loại động cơ đối đỉnh
+ Hệ thống quét thẳng qua Xupap xả, với các ưu điểm sau đây :
- Hành trình của nó trong Xilanh chỉ bằng một nửa so với quét vòng
.
- Do dòng khí chỉ đi một chiều từ dưới lên, nên khí quét có cơ hội
hoà trộn với sản vật cháy vì khí thải được đẩy ra ngoài tương đối sạch,
nhờ đó mà hệ số khi sót γ
= ( 0,6 ÷ 0,75 ).П.D (mm) (2.1)
Với : D : Đường kính Xilanh, D = 350 (mm)
b
q
= ( 0,6 ÷ 0,75 ).3,14.350 (mm)
b
q
= ( 659,4 ÷ 824,25 ) (mm)
Chọn : b
q
= 750. (mm).
- Chiều cao của cửa quét h
q
(khoảng cách tính từ mép trên của cửa
quét đến đỉnh Piston khi Piston ở ĐCD).
Với một hàng cửa thì:
h
q
= ( 0,08 ÷ 0,15 ).S (mm) (2.2)
Trong đó : S : Hành trình của Piston, S = 1400 (mm)
h
q= ( 0,08 ÷ 0,15 ).1400 (mm)
h
q
= ( 112 ÷ 210 ) (mm)
Chọn : h
q
s = (1 ÷ 1,2 ).750 (mm)
s = (750 ÷ 900 ) (mm)
Chọn : s = 800 (mm).
- Hình dạng cửa quét: Chọn cửa quét hình chữ nhật .
- Số cửa quét : Số cửa quét được bố trí xung quanh Xilanh, nên chọn
6 cửa quét cho mỗi Xilanh.
19 Hình : 2.3 . Cơ cấu nạp
2.2.2. Tính toán sơ bộ kích thước cơ cấu thải (Hình : 2.4)
Hình 2.4. Xupap thải
20
α
Dùng một Xupap thải có dạng hình nấm có các thông số cơ bản sau đây:
− Đường kính họng của nấm Xupap,
( )
Dd
h
35,026,0 ÷=
(mm) (2.6)
trong đó :
D : Đường kính Piston, D = 350 (mm)
− Chiều cao mở của Xupap,
( )
h
dh 35,025,0
Kết quả:
d
h
= 100 (mm)
h
t
= 30 (mm)
e = 4 (mm)
d = 108 (mm)
α = 45
0
d
d
= 20 (mm)
r = 20
0
Từ các thông số trên, ta có tiết diện lưu thông lý thuyết là:
( )
ααπ
2sin5,0cos hdhf +=
(mm
2
) (2.13)
trong đó:
h : Hành trình (độ nâng) của Xupap,
( )
h
dhh 3,018,0
max
÷==
⇒
OO
,
= R. λ /2 = R
2
/ 2.L = 87,5 . (mm)
- Từ O
,
vẽ cung tròn bán kính R
,
bất kì với R
,
< R. Từ mép trên
của cửa quét kẻ đường thẳng song song với trục hoành.Tung độ của đồ thị
là lưu thông, hoành độ của đồ thị là thời gian hoặc góc quay của trục
khuỷu cắt nửa vòng tròn tâm O.
- Xác định tỉ lệ thức của đồ thị:
+ Với trục hoành : Tính theo độ : m
Ф
= Ф
0
(đô/cm)
Tính theo giây : m
s
= Ф
0
/6n (s/cm) .
+ Với trục tung : m
f
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
1 - Quá trình quét
– Áp suất quét :
P
k
= 190000 (Pa) .
– Nhiệt độ không khí quét :
T
P
P
TT
m
m
k
k
∆−
=
−1
0
0
q
f
f
1
D
A
ĐCD
H
c
M
B
H
Kết quả:
T
k
= 338,07 (
0
K).
– Hệ số dư lượng không khí quét:
K
ϕ
=
0.
00
TP
TP
K
K
2 - Quá trình thải
− Áp suất khí thải:
P
b
= 785118 (Pa) (theo chương 1).
− Nhiệt độ khí thải:
T
b
= 975,29 (
0
K) ( theo chương 1).
− Áp suất trên đường ống thải:
Phụ thuộc cấu tạo của đường ống thải và điều kiện làm việc của
động cơ .
Với động cơ tăng áp bằng Tuabin khí thải,
P
th
= ( 0,75 ÷ 0,9 ).P
k
(Mpa) (2.18)
Chọn: P
th
= 160000 (Pa) .
− Áp suất trung bình trong xilanh thời kì thải cưỡng bức,
P
N
= a .(P
k
- P
th
3
) .
− Nhiệt độ sản vật cháy trong xilanh lúc bắt đầu thải cưỡng bức
m
m
b
N
bN
P
P
TT
1
)(
−
=
(
0
K) (2.21)
Với : m = 1,3 .
Kết quả:
T
N
= 632,88 (
0
K).
- Từ đồ thị thời gian tiết diện ta xác định được trị số thời gian tiết diện lý
thuyết của các thời kỳ :
+ Thời kỳ thải sớm :
A
Xilanh, tiết diện lưu thông của cửa thải, trạng thía môi chất trong Xilanh
và trong ống thải) thay đổi liên tục.
Mục đích nghiên cứu thời kì thải tự do nhằm xác lập quan hệ giải
tích giữa các thông số của chu trình công tác của động cơ cần tính với trị
số thời gian tiết diện cần thiết cho quá trình thải tự do, đảm bảo cho quá
trình nạp và thải cưỡng bức tiến triển thuận lợi.
Nhờ quan hệ giải tích ấy có thể xác định trị số thời gian tiết diện
cần thiết cho thời kì thải tự do, rồi dùng nó để kiểm nghiệm tính toán quá
trình trao đổi khí của động cơ hai kì.
Vấn đề đặt ra khó và phức tạp nên trên thực tế, thường chỉ giới hạn
trong cách giải gần đúng bằng cách giả thiết :
− Dòng môi chất đi qua cơ cấu thải là dòng một chiều, ổn định, không
có sức cản, không trao đổi nhiệt với môi trường (lưu động đoạn nhiệt).
25
− Áp suất trên đường thải P
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
− Thời gian tiết diện của thải tự do: A
td
Sau đó so sánh với A
o
ts
, A
=
b
H
H
b
b
TB
ts
V
V
p
p
T
V
A ln174,01
59,0
115,0
µ
(m
2
s) (2.22)
trong đó :
V
TB
: Thể tích trung bình của Xilanh lúc bắt đầu mở cửa thải đến
lúc bắt đầu mở cửa quét ; (m
= ( S – h
q
).π.D
2
/ 4 (m
3
) (2.25)
µ
: Hệ số lưu lượng của cơ cấu thải sớm.Với động cơ hai kì
quét thẳng ;
µ
= 0,6 ÷ 0,8
Chọn : μ = 0,6 .
Kết quả :
A
t
= 0,000362 (m
2
s) .
Kiểm tra lại theo công thức :
( )
1,19,0
0
÷=
td
td
A
A
(2.26)
+
=
b
N
N
th
th
b
b
TB
td
V
V
p
p
p
p
T
V
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
P
RT
A +−=
ϕ
ψγ
(m
2
s) (2.29)
trong đó:
TT
T
+
=
(
0
K ) (2.30)
R : Hằng số , R = 287 (Jk /độ)
t
γ
: Hệ số lưu lượng tính toán ,
5,0=
t
γ
(tra bảng)
t
ψ
: Hàm số lưu lượng ,
p
p
p
k
k
12
1
2
ψ
(2.31)
k : Hệ số đoạn nhiệt, (với sản vật cháy) k = 1,3
Kết quả :
t
A
= 0,000041 (m
2
s) .
Kiểm tra lại theo công thức:
( )
1,19,0
0
÷=
t
t
A
A
(2.32)
t
t
σ
= 1,6
V
H
: Thể tích công tác của Xilanh,
4
2
D
V
H
π
=
(m
3
)
k : Chỉ số nén đoạn nhiệt, k = 1,3 ( với không khí)
q
ψ
: Hàm lưu lượng,
p
p
k
k
12
.
1
.2
ψ
(2.34)
q
µ
: Hệ số lưu lượng của cơ cấu quét,
( )
75,07,0 ÷=
q
µ
( với động cơ quét thẳng)
Chọn:
75,0=
q
µ
.
Kết quả:
0
q
A
= 0,000014 ( m
2
s ).
Khi tính toán và thiết kế hệ thống cơ cấu phân phối khí cần đảm bảo
các yêu cầu sau đây :
− Đóng mở đúng thời gian quy định.
− Độ mở lớn để dòng khí dễ lưu thông.
− Đảm bảo khí nạp và quá trình thải phải sạch.
− Ít mòn và tiếng kêu bé.
− Dễ điều chỉnh, sửa chữa và giá thành chế tạo rẻ.
Khi thiết kế cơ cấu phân phối khí, cần chú ý đến những vấn đề sau :
− 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 mát 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 làm Xupap cần có cơ tính tốt ở nhiệt độ cao.
3.1. Cửa nạp (Hình: 3.1)
30
Copyright: Tài liệu đại học ©