7.Chuong II

LUẬNVĂNTỐTNGHIỆP THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ CHƯƠNG II THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ VŨ THANH NGÂN LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU Trang: 15 LUẬNVĂNTỐTNGHIỆP 2.1 THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ Lựa chọn hệ thống trao đổi khí 2.1.1 Nhiệm vụ yêu cầu hệ thống phân phối khí − Cơ cấu phân phối khí dùng để thực q trình thay đổi khí xilanh động cơ: nạp khí vào xilanh đẩy khí làm việc khỏi xilanh đảm bảo đủ lượng khí thời gian qui định − Các kiểu cấu phân phối khí động Diesel thường sử dụng: + Cơ cấu phân phối khí kiểu xupap + Cơ cấu phân phối khí kiểu van trượt + Cơ cấu phân phối khí kiểu xupap van trượt 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 sử dụng rộng rãi cấu đơn giản, đảm bảo tính an toàn, tin cậy VŨ THANH NGÂN LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU Trang: 16 LUẬNVĂNTỐTNGHIỆP THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ q trình làm việc Cơ cấu gồm có: Trục phân phối khí, hệ thống truyền động cho nó, đội, đẩy, địn gánh, xupap nạp, xả đế xupap Cơ cấu sử dụng cho động bốn kỳ − Cơ cấu phân phối khí kiểu van trượt có ưu điểm như: đảm bảo tiết diện lưu thông, dễ dàng làm mát cấu phối khí, độ ồn nhỏ kết cấu phức tạp, giá thành cao chủ yếu sử dụng sử dụng động hai kỳ qt vịng Hình 2.2 Cơ cấu phối khí kiểu xupapvà van trượt 1- Block; 3- Píston; 5- Cửa xả; 7- Gugiơng 2- Xilanh; 4- Cửa nạp; 6- Xupap; 8- Nắp xilanh − Cơ cấu phân phối khí kiểu xupap van trượt: thưịng sử dụng cho động hai kì nạp qua cửa thải xupap, piston làm nhiệm vụ van trượt, sử dụng cho động hai kỳ quét thẳng qua xupap − Khi tính tốn thiết kế hệ thống cấu phân phối khí cần đảm bảo yêu cầu sau : + Có cường độ chịu lực tốt + Đóng mở thời gian quy định + Độ mở lớn để đảm bảo đủ lượng khơng khí cấp cho chu trình chỗ thay đổi tiết diện phải có góc lượn lớn để giảm sức cản cho dịng khí để dịng khí dễ lưu động VŨ THANH NGÂN LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU Trang: 17 LUẬNVĂNTỐTNGHIỆP THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ + Kết cấu xupap phải đảm bảo thoát nhiệt tốt + Cần đảm bảo lực tác dụng lên xupap trùng với đường tâm xupap để tránh làm cong đuôi xupap + Ít mòn độ ồn bé + Dễ chế tao, dễ điều chỉnh, dễ sửa chữa giá thành rẻ 2.1.2 Lựa chọn hệ thống trao đổi khí Chọn hệ thống trao đổi khí kiểu xupap treo 1- Phân loại hệ thống trao đổi khí kiểu xupap Với động đốt kiểu piston trao đổi khí xupap có hai phương án bố trí xupap là: xupap đặt xupap treo Hình 2.3 Phương án bố trí xupap đặt xupáp treo − Phương án bố trí xupap đặt dùng cho động có tỉ số nén thấp Nhược điểm: + Kết cấu buồng cháy không gọn nên nhiệt lượng tổn thất lớn làm giảm hiệu suất + Việc tăng tỉ số nén khó khăn nên sử dụng VŨ THANH NGÂN LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU Trang: 18 LUẬNVĂNTỐTNGHIỆP THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ − Phương án bố trí xupap treo sử dụng rộng rãi động Diesel kì số động xăng Ưu điểm: + Kết cấu buồng cháy nhỏ gọn, tăng lượng nhiệt dùng cho trình cháy + Tăng tỉ số nén cách dễ dàng Nhược điểm: + Các chi tiết chuyển động gây nhiều độ ồn lớn + Chế tạo phức tạp + Làm tăng chiều cao động Kết luận : Với ưu, nhược điểm nêu trên, chọn kết cấu phân phối khí kiểu xupap phương án bố trí xupap xupap treo 2- Bố trí xupap nắp xilanh a) Loại hai xupap Đây loại dùng nhiều nhất, động bốn kì có xupap xả xupap nạp a b c Hình 2.4 Bố trí hai xupap nắp xilanh Hình a: Xupap bố trí song song với đường trục, loại dùng cam để truyền động Hình b: Xupap bố trí thẳng góc với đường trục Đường nạp thải bố trí đối xứng qua nắp xilanh Dùng hay hai trục cam để truyền động Hình c: Xupap bố trí nghiêng góc với đường trục Đường nạp thải bố trí đối xứng qua nắp xilanh Dùng hay hai trục cam để truyền động VŨ THANH NGÂN LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU Trang: 19 LUẬNVĂNTỐTNGHIỆP THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ b) Loại ba xupap Mỗi nắp xilanh có ba xupap a b Hình 2.5 Bố trí ba xupap nắp xilanh Hình a: Một xupap nạp có đường kính tương đối lớn, hai xupap thải có đường kính bé Hình b: Hai xupap nạp, xupap xả có đường kính lớn So với bốn loại xupap loại khơng có ưu điểm đặc biệt cấu tạo khơng đơn giản nên dùng c) Loại bốn xupap Dùng động cao tốc, cơng suất lớn có hai xupap nạp hai xupap xả Hình 2.6 Bố trí bốn xupap nắp xilanh 3- Phương án dẫn động xupap Có hai loại dẫn động cho xupap: dẫn động giới cho xupap dẫn động thuỷ lực cho xupap a) Dẫn động giới (hình 2.7): VŨ THANH NGÂN LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU Trang: 20 LUẬNVĂNTỐTNGHIỆP THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ Hình 2.7 Cơ cấu dẫn động giới cho xupap 1- Trục cam ; 2- Con đội ; 3- Đũa đẩy ; 4- Cò mổ ; 5- Xupap − Nguyên lí hoạt động : Dẫn động giới cho xupap cấu đội, đũa đẩy, đòn bẩy (cò mổ) Đây cấu động Cụ thể cấu nhận chuyển động quay trục cam tác động mặt cam lên đội đũa đẩy, làm đội đũa đẩy chuyển động lên xuống Đầu lại đũa đẩy liên kết động với đầu đòn bẩy Đòn bẩy cấu tạo cho quay quanh trục gắn cứng, đầu cịn lại địn bẩy trực tiếp tác dụng lên mặt tiếp xúc đuôi xupap, làm xupap chuyển động lên xuống với giới hạn thích hợp Giới hạn gọi hành trình xupap − Ưu điểm phương pháp là: Cơ cấu dễ chế tạo, giá thành rẻ, ứng dụng với nhiều loại động tàu thuỷ − Nhược điểm phương pháp tồn khe hở nhiệt lớn, gây tượng va đập mạnh làm chi tiết chỗ tiếp xúc nhanh bị biến dạng gây tiếng kêu trình hoạt động b Dẫn động thuỷ lực cho xupap (hình 2.8) : VŨ THANH NGÂN LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU Trang: 21 LUẬNVĂNTỐTNGHIỆP THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ 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 đầu đòn gánh xupap, cấu dẫn động cho xupap thải động bốn kì chế tạo thêm giảm chấn thuỷ lực, tự động điều chỉnh khe hở nhiệt xupap Phương pháp có độ tin cậy cao cấu tạo đơn giản Việc giảm khối lượng phần động hạn chế lực quán tính cấu dẫn động cho xupap giảm độ mài mòn bề mặt làm việc xupap gây tác động xung lực − Nguyên lí hoạt động: Cơ cấu sử dụng cho động Diesel đại bao gồm: Con đội thuỷ lực (2) dẫn động từ trục cam (1) Khi đội thuỷ lực (2) lên, dầu bị nén piston thuỷ lực tạo áp lực đường ống dẫn dầu (4) tác dụng lên đầu xupap Khi áp lực thắng lực lò xo xupap thí xupap mở ra, đồng thời lị xo bị nén Do tồn lực đàn hồi có xu hướng đẩy lị xo lên Khi cam vị trí thấp làm cho đội xuống, áp lực dầu giảm Lực lò xo thắng áp lực dầu đẩy xupap lên đóng kín cửa thải VŨ THANH NGÂN LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU Trang: 22 LUẬNVĂNTỐTNGHIỆP THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ Kết luận: − Chọn phương án dẫn động cho xupap: Từ phân tích từ điều kiện áp dụng cho động thiết kế, nên ta dùng phương án dẫn động giới cho xupap 2.2 Tính tốn sơ kích thước cấu phối khí 2.2.1 Tính tốn sơ kích thước cấu nạp cấu thải t Hình 2.9 Xupap Dùng xupap thải có dạng hình nấm có thơng số sau : − Đường kính họng nấm xupap : d h = ( 0,26 ÷ 0,35) D mm Trong : D_ Đường kính piston, D = 280 mm; − Chiều cao mở xupap : h1 = ( 0,25 ÷ 0,35) d h mm − Chiều rộng mặt nấm tiếp xúc với đế xupap : e = ( ÷ 5) mm − Đường kính ngồi nấm xupap : d = d h + 2e VŨ THANH NGÂN LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU mm Trang: 23 LUẬNVĂNTỐTNGHIỆP THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ − Góc nghiêng xupap : α = ( 30 ÷ 45) − Đường kính đầu xupap : dd = (0,18 ÷ 0,25)dh − Bán kính góc lượn, r = 20 Kết : dh = 84 mm h1 = 26 mm e = mm d = 92 mm α = 450 dd = 21 r = 200 mm Từ thông số trên, ta có tiết diện lưu thơng lý thuyết : f = πh cos α ( d + 0,5h sin 2α ) mm2 : h_Hành trình (độ nâng) xupap h = hmax = ( 0,18 ÷ 0,3) d h mm h = 21 mm Kết : f = 4731,195 mm2 2.3 Xây dựng đồ thị thời gian tiết diện hình học Sau chọn hình dáng, kích thước, phương hướng góc phối khí xupap nạp, xupap thải, ta xây dựng đồ thị thời gian tiết diện: Khi đường kính góc nấm xupap xác định, tiết diện lưu thông tức thời xupap định quy luật động học cam phân phối khí pha phân phối khí Dựa vào phương trình xác định tiết diện lưu thơng: f = πh(d cos α + h sin α cos α ) f = πh cos α ( d + 0,5h sin 2α ) VŨ THANH NGÂN LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU Trang: 24 LUẬNVĂNTỐTNGHIỆP THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ Trong : h: Hành trình xupap, trị số h phụ thuộc vào biên dạng cam d: Đường kính ngồi nấm xupap, d = 92 (mm); α: Góc nghiêng xupap, α = 450 Ta xây dựng đồ thị thời gian tiết diện hình học dựa vào hành trình xupap Muốn vậy, ta phải xác định quy luật độ nâng xupap biến thiên theo góc quay trục cam − Thiết kế dạng cam: Có hai phương pháp : + Lựa chọn quy luật chuyển động cam (chủ yếu quy luật gia tốc), từ phân tích hai lần để tìm quy luật độ nâng xupap biến thiên theo góc quay trục cam + Định sẵn dạng cam, mặt cam tập hợp cung trịn , cung parabơn đường thẳng để dễ gia cơng Sau vào quy luật nâng định, đạo hàm hai lần góc quay trục cam để tìm quy luật gia tốc kiểm tra xem có phù hợp với yêu cầu gia tốc cấu phân phối khí hay khơng Căn vào hình XV-41 theo [1], thể quy luật nâng hạ quy luật gia tốc ba loại cam lồi cung trịn, cam lồi cung parabơn cam tiếp tuyến Từ ta chọn dạng cam cam tiếp tuyến (hình 2.10) 70° 80° 90° 100° 110° 60° 120° 50° 130° 140° 40° 150° 20° 10° 0° hmax 30° 160° h max 170° 180° Hình 2.10 Độ nâng xupap biến thiên theo góc quay trục cam Độ nâng xupap biến thiên theo góc quay trục cam ghi bảng 2.1 VŨ THANH NGÂN LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU Trang: 25 LUẬNVĂNTỐTNGHIỆP THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ Bảng 2.1:Sự thay đổi độ nâng xupap tiết diện lưu thơng theo góc quay truc cam Góc quay trục cam 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 Độ nâng xupap 0 0,1529 1,1248 3,1464 6,5993 12,29 19,0802 21 19,0802 12,29 6,5993 3,1464 1,1248 0,1529 0 Tiết diện lưu thông 0 31,275 231,284 654,034 1397,089 2679,507 4303,833 4781,653 4303,833 2679,507 1397,089 654,034 231,284 31,275 0 Từ bảng 2.1, ta vẽ đồ thị thời gian tiết diện hìnhhọc(hình2.11) f f 90 180 α° Hình 2.11 Đồ thị thời gian tiết diện hình học 2.4 Xác định trị số thời gian tiết diện thời kì 2.4.1 Các thơng số q trình trao đổi khí VŨ THANH NGÂN LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU Trang: 26 LUẬNVĂNTỐTNGHIỆP THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ a- Q trình nạp − Áp suất môi chất xilanh lúc bắt đầu mở xupap nạp PH = Pa Pa = 195000 (Pa) – Áp suất khơng khí nạp, Pk = 216000 (Pa); − Thể tích xilanh lúc bắt đầu thời kì nạp V N = ( 0,9 ÷ 1,05) π D 0,064 (m3) VN = – Nhiệt độ không khí nạp, P Tk = T0  k  P0    m −1 m − ∆T , ( K ) Trong : m: Chỉ số nén đa biến, với máy nén ly tâm tăng áp Tuabin khí thải m = 1,4 ÷ 1,6 ∆T: Nhiệt độ làm mát ( có), ∆T = 50 (0C); P0: Áp suất môi trường, P0 = 130000 (Pa); T0: Nhiệt độ môi trường, T0 = 303 (0K); Kết : với động tăng áp : (0K) Tk = 337,83 – Hệ số dư lượng khơng khí nạp: ϕK = ϕ P0 TK PK T0 : ϕ0_ Hệ số dư lượng khơng khí nạp lí thuyết, ϕ0 = (1,4 ÷ 2,4); ϕ0 = Kết : ϕK = 1,063 – Hệ số nạp η v = λ1 ε Pa Tk ε − Pk Ta (1 + γ r ) VŨ THANH NGÂN LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU Trang: 27 LUẬNVĂNTỐTNGHIỆP THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ η v =1,016 Kết : φ= ϕk = 1,046 ηv b- Quá trình thải : − Áp suất khí thải, Pb = 1074768 (Pa) (theo chương I); − Nhiệt độ khí thải, Tb = 1288,189 (0K) (theo chương I); − Áp suất đường ống thải Phụ thuộc cấu tạo đường ống thải điều kiện làm việc động Với động tăng áp Tuabin khí thải, ta chọn : Pth = (0,85 ÷ 0,9)Pk Pth = 0,184 (MPa) − Áp suất trung bình xilanh thời kì thải cưỡng PN = a(Pk - Pth) + Pth : a-Hệ số giảm áp, với động thải xupap a = (0,5 ÷ 0,9) a = 0,7 Kết : PN = 0,2064 (MPa) − Nhiệt độ sản vật cháy xilanh lúc bắt đầu thải cưỡng PN mm−1 TN = Tb ( ) Pb với m = 1,3 Kết : TN = 880,25 (0K) 2.4.2 Xác định trị số thời gian tiết diện thời kì thải tự VŨ THANH NGÂN LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU Trang: 28 LUẬNVĂNTỐTNGHIỆP THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ Thay đổi mơi chất động bốn kì thời kì thải tự Thải tự lưu động sản vật cháy từ xilanh đường ống thải nhờ chênh áp xilanh đường ống thải điều kiện (thể tích xilanh, tiết diện lưu thơng cửa thải, trạng thái môi chất xilanh ống thải) thay đổi liên tục Mục đích nghiên cứu thời kì thải tự nhằm xác lập quan hệ giải tích thơng số chu trình cơng tác động cần tính với trị số thời gian tiết diện cần thiết cho trình thải tự do, đảm bảo cho trình nạp thải cưỡng tiến triển thuận lợi Nhờ quan hệ giải tích xác định trị số thời gian tiết diện cần thiết cho thời kì thải tự do, dùng để kiểm nghiệm tính tốn q trình trao đổi khí động bốn kì Vấn đề đặt khó phức tạp nên thực tế, thường giới hạn cách giải gần cách giả thiết : − Dịng mơi chất qua cấu thải dịng chiều, ổn định, khơng có sức cản, không trao đổi nhiệt với môi trường (lưu động đoạn nhiệt) − Áp suất đường thải P th bình khí nạp Pk ln khơng thay đổi Thời gian tiết diện thời kì thải tự gồm hai giai đoạn : + Thời gian tiết diện thải sớm: Ats0 + Thời gian tiết diện thải tự do: Atd0 a) Trị số thời gian tiết diện thời kì thải sớm Tốc độ lưu động dịng khí qua cửa thải giai đoạn đạt tốc độ giới hạn tốc độ truyền âm khí thải trạng thái giới hạn, phụ thuộc thông số trạng thái sản vật cháy xilanh Trị số thời gian tiết diện cần thời kì thải sớm : 0,59VTB Ats = µ TB  p  0,115 V  b  − − 0,174 ln H  p H   Vb    (m2s); Trong : VTB: thể tích trung bình xilanh lúc bắt đầu mở cửa thái đến lúc bắt đầu mở cửa quét ; (m2s) VTB = (Vb+VH)/2 (m2s); VŨ THANH NGÂN LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU Trang: 29 LUẬNVĂNTỐTNGHIỆP THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ Với : Vb: Thể tích xilanh lúc bắt đầu mở cửa thải; Vb = (S-ht).π.D2/4 (m3); VH: Thể tích xilanh lúc bắt đầu mở cửa quét; VH = (S-hq).π.D2/4 (m3); μ: Hệ số lưu lượng cấu thải sớm b) Trị số thời gian tiết diện thời kì thải tự Trị số thời gian tiết diện cần thời kì thải tự : 0,59VTB  pb  Atd = µ Tb  pth    ,115  V p   0,492 + 0,102 th  − 0,59 − 0,103 ln N pN    Vb    (m2s); Kết : Atd = 0,0000351 (m2s) Kiểm tra lại theo cơng thức : Atd0 = ( 0,9 ÷ 1,1) Atd Atd0 = 1,05 Atd ⇒ Thoả mãn 2.4.3 Xác định trị số thời gian tiết diện thời kì thải cưỡng : Trị số thời gian tiết diện thời kì thải cưỡng xác địng công thức : At = RTn γ tψ t PN ( Vh PV PV ϕk − b b + N N ) vK RTb RTN (m2s); Trong : v k : Thể tích riêng khí nạp, v k = 49,726 (m ); ϕ k : Hệ số dư lượng khí nạp, ϕ k =1,063 ; TN: Nhiệt độ sản phẩm cháy xilanh lúc bắt đầu thời kì thải cưỡng TN = 880,25 (0K); Tn: Nhiệt độ trung bình khí xilanh suốt thời kì nạp thải cưỡng VŨ THANH NGÂN LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU Trang: 30 LUẬNVĂNTỐTNGHIỆP Tn = THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ TN + Tk ( K); R: Hằng số, R = 287 (Jkg/độ); γ t : Hệ số lưu lượng tính tốn, γ t = 0,6 (tra bảng); ψ t : Hàm số lưu lượng ψt =  2k  pth  k  pth   −  k −  p N   pN     k +1 k     k_ Hệ số đoạn nhiệt, (với sản vật cháy) k = 1,3; Kết : At = (m2s) 0,00036582 Kiểm tra lại theo công thức : At0 = ( 0,9 ÷ 1,1) At At0 = 0,937 At ⇒ Thoả mãn 2.4.4 Xác định trị số thời gian tiết diện thời kì nạp khí Trị số thời gian tiết diện thời kì nạp khí xác định cơng thức : Aq0 = 0,59Vhσ 0p Tk µ qψ q p k To (m2s) : σ : Hệ số dư lượng khí nạp, σ = 1,6 ; VH: Thể tích cơng tác xilanh VH = πD k: Chỉ số nén đoạn nhiệt, k = 1,4 (với khơng khí); ψ q : Hàm lưu lượng ψq = k +1   k k     p p 2.k  th th  −      k −  pN   p N     VŨ THANH NGÂN LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU Trang: 31 LUẬNVĂNTỐTNGHIỆP THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ µ q : Hệ số lưu lượng cấu nạp µ q = ( 0,7 ÷ 0,75) (với động nạp thẳng); µ q = 0,75 Kết : Aq0 = 0,00001632 (m2s) Kiểm tra lại theo công thức : Aq0 Aq Aq0 Aq = ( 0,9 ÷ 1,1) = 1,04 ⇒ Thoả mãn VŨ THANH NGÂN LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU Trang: 32