Nghiên cứu lực tác dụng lên cổ biên trong quá trình khai thác động cơ diesel 4 kỳ

Đồ thị biểu diễn các thông số công tác của động cơ diesel thay đổi theo góc quay trục khuỷu của động cơ diesel khi đặt tay ga ứng với 75% lượng nhiên liệu cấp cho chu trình 36,75kg/h...4

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Phạm Việt Dũng, sinh ngày 16 tháng 05 năm 1987, là học viênlớp cao học Khai thác bảo trì tàu thủy, khóa học 2012 – 2014, Trường Đại họcHàng Hải Việt Nam, hiện đang công tác tại Khoa Máy tàu thủy – Trường Caođẳng nghề VMU – Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam

Tôi xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu lực tác dụng lên cổ biên trong quá

trình khai thác động cơ diesel 4 kỳ” là công trình nghiên cứu khoa học của riêng

tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ, trích dẫn rõ ràng.Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn phù hợp với nộidung đề cương Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng khoa học

và trước pháp luật

Hải Phòng, ngày 22 tháng 10 năm 2015

KS PHẠM VIỆT DŨNG

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự động viên, giúp

đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy GS TS Lê Viết Lượng, luận văn thạc sĩ kỹ

thuật với đề tài “Nghiên cứu lực tác dụng lên cổ biên trong quá trình khai thác

động cơ diesel 4 kỳ” đã hoàn thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến

thầy giáo hướng dẫn, các giảng viên chuyên ngành Khai thác, bảo trì tàu thủy,Viện Đào tạo Sau Đại học, Trường Cao đẳng Hàng hải VN- Trường Đại họcHàng Hải Việt Nam, cùng các bạn đồng nghiệp và gia đình đã giúp đỡ tác giảtrong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn

Hải Phòng, tháng 10 năm 2015

KS PHẠM VIỆT DŨNG

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC VÀ ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL 4 KỲ 3

1.1.Các chế độ làm việc của động cơ diesel tàu thuỷ 3

1.1.1 Chế độ làm việc ổn định của động cơ 3

1.1.2 Chế độ làm việc không ổn định của động cơ 4

1.2 Đặc tính của động cơ diesel tàu thuỷ 8

1.2.1 Đặc tính tải 9

1.2.2 Đặc tính ngoài 11

1.2.3 Đặc tính chong chóng 13

1.3 Sự phối hợp làm việc giữa đặc tính ngoài của động cơ và đặc tính chong chóng 14

1.3.1 Khi điều kiện khai thác không thay đổi 14

1.3.2 Khi điều kiện khai thác thay đổi 15

Chương 2 CƠ SỞ TÍNH LỰC TÁC DỤNG LÊN CỔ BIÊN TRONG QUÁ TRÌNH KHAI THÁC ĐỘNG CƠ DIESEL 4 KỲ 16

2.1 Tổng hợp công thức tính chu trình công tác của động cơ diesel 17

2.1.1 Thành phần hoá học của nhiên liệu 17

2.1.2 Nhiệt độ và áp suất môi trường xung quanh 17

2.1.3 Tốc độ trung bình của piston 17

2.1.4 Chọn tỷ số nén và thông số kết cấu 17

2.1.5 Chọn các thông số của trạng thái khí sót 18

2.1.6 Các thông số khác 18

2.2 Độ dịch chuyển, vận tốc và gia tốc chuyển động của nhóm piston 22

2.2.1 Độ dịch chuyển của nhóm piston 22

2.2.2 Vận tốc của nhóm piston 24

2.2.3 Gia tốc của nhóm piston 25

2.3 Lực tác dụng lên cổ biên, cổ trục 25

2.3.1 Lực khí thể Pkt 25

2.3.2 Lực quán tính 27

2.3.3 Lực tác dụng lên cổ biên 27

2.4 Các thông số phục vụ cho tính toán 29

2.4.1 Một số thông số cho trước 29

2.4.2 Khối lượng các chi tiết tham gia chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay tác dụng lên cổ biên (kg) 29

Chương 3 TÍNH LỰC TÁC DỤNG LÊN CỔ BIÊN TRONG QUÁ TRÌNH KHAI THÁC ĐỘNG CƠ ĐỐI VỚI ĐỘNG CƠ 6NVD36-U 32

3.1 Các thông số kết cấu và thông số kỹ thuật động cơ 6NVD36-U 32

3.2 Một số thông số bổ sung và sơ đồ khối tính chu trình công tác của động cơ diesel 34

3.2.1 Một số thông số bổ sung 43

3.2.2 Sơ đồ khối tính chu trình công tác động cơ diesel 35

3.3 Xây dựng sơ đồ khối và lập chương trình tính hệ lực tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu động cơ diesel 36

3.4 Áp dụng tính chu trình công tác của động cơ 6NVD36-U 37

3.4.1 Các thông số công tác của chu trình ứng với điều kiện chuẩn 38

3.4.2 Các thông số công tác của chu trình ứng với điều kiện môi trường 39

3.4.3 Các thông số của chu trình khi giảm lượng nhiên liệu cấp cho chu trình 41

3.4.4 Các thông số của chu trình ứng với khi thay đổi góc phun sớm 42

3.4.5 Các thông số của chu trình ứng với khi khởi động 46

3.4.6 Các thông số của chu trình ứng với khi chạy quá tải 47

3.5 Xác định lực tác dụng lên cổ biên thay dổi theo góc quay trục khuỷu 47

3.5.1 Một số thông số ban đầu của động cơ 48

3.5.2 Trọng lượng các chi tiết và cụm chi tiết tham gia chuyển dộng tịnh tiến và chuyển động quay 48

3.5.3 Xây dựng đồ thị chuyển vị, vận tốc, gia tốc của nhóm piston 50

3.5.4 Xây dựng đồ thị các lực tác dụng lên cổ biên theo góc quay trục khuỷu 52

3.6 Phân tích kết quả thu được 87

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1: Hệ số K1, K2 với piston và biên vật liệu khác nhau 30

Bảng 2: Khối lượng tương đối mtt, mqk với các loại động cơ khác nhau 31

Bảng 3.1: Một số thông số chủ yếu của động cơ 6NVD36-U 32

Bảng 3.2 Một số thông số công tác của chu trình ứng với điều kiện thiết kế 39

Bảng 3.3 Bảng so sánh sự thay đổi các thông số khi thay đổi điều kiện môi trường làm việc T0=3150K, P0=1,01Mpa, Độ ẩm 78% so với điều kiện chuẩn 40

Bảng 3.4 Một số thông số công tác khi cấp 75% lượng nhiên liệu cho động cơ với điều kiện môi trường chuẩn 41

Bảng 3.5 So sánh một số thông số công tác của chu trình khi giảm góc phun sớm 20TK so với ban đầu 43

Bảng 3.6 So sánh một số thông số công tác của chu trình khi tăng góc phun sớm 20TK so với ban đầu 45

Bảng 3.7 So sánh một số thông số công tác của chu trình khi khởi động so với chế độ khai thác định mức 46

Bảng 3.8 So sánh một số thông số công tác của chu trình khi động cơ chạy quá tải so với chế độ khai thác định mức 47

Bảng 3.5.1 Bảng một số thông số chủ yếu phục vụ tính lực quán tính 50

Bảng 3.5.2 Giá trị sx, vp, Jp theo góc quay trục khuỷu (α = 0 ÷ 3600) 51

Bảng 3.5.3: Bảng tra để tính Pb, T, Z theo góc quay trục khuỷu α 54

Bảng 3.5.4 Các giá trị Pkt , Pj , Pt theo góc quay trục khuỷu với trường hợp động cơ làm việc ứng với điều kiện chuẩn nơi thiết kế 56

Bảng 3.5.5 Các giá trị của Pb , T, Z theo góc quay trục khuỷu α với trường hợp động cơ làm việc ứng với điều kiện chuẩn nơi thiết kế 58

Bảng 3.5.6 Các giá trị Pkt , Pj , Pt theo góc quay trục khuỷu với trường hợp động cơ làm việc ở chế độ khai thác định mức 60

Bảng 3.5.7 Các giá trị của Pb , T, Z với trường hợp động cơ làm việc ở chế độ khai thác định mức 62

Bảng 3.5.9 Các giá trị của Pb , T, Z theo góc quay trục khuỷu α với trường hợp động cơ làm việc ứng với lượng nhiên liệu cấp cho chu trình giảm 66

Bảng 3.5.10: Các giá trị Pkt , Pj , Pt theo góc quay trục khuỷu với trường hợpđộng cơ làm việc ứng với giảm góc phun sớm 68Bảng 3.5.11: Các giá trị của Pb , T, Z theo góc quay trục khuỷu α với trường hợpđộng cơ làm việc ứng với giảm góc phun sớm 70Bảng 3.5.12 Các giá trị Pkt , Pj , Pt theo góc quay trục khuỷu với trường hợpđộng cơ làm việc ứng với tăng góc phun sớm 72Bảng 3.5.13 Các giá trị của Pb , T, Z theo góc quay trục khuỷu α với trường hợpđộng cơ làm việc ứng với tăng góc phun sớm 74Bảng 3.5.14 Các giá trị Pkt , Pj , Pt theo góc quay trục khuỷu với trường hợpđộng cơ làm việc khi công suất quá tải 76Bảng 3.5.15 Các giá trị của Pb , T, Z theo góc quay trục khuỷu α với trường hợpđộng cơ làm việc khi công suất quá tải 78Bảng 3.5.16 Các giá trị Pkt , Pt theo góc quay trục khuỷu với trường hợp động

cơ làm việc ở chế độ khởi động 80Bảng 3.5.17 Các giá trị của Pb , T, Z theo góc quay trục khuỷu α với trường hợpđộng cơ làm việc ở chế độ khởi động 82Bảng 3.5.18 So sánh một số thông số công tác của chu trình khi khởi động sovới chế độ khai thác khác 86

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 a, b Sự phụ thuộc các thông số công tác vào công suất khi động cơ

làm việc theo đặc tính tải 10

Hình 1.2 Sự phụ thuộc các thông số công tác vào phụ tải 11

Hình 1.3 Các đường đặc tính tốc độ 12

Hình1.4 Đồ thị biểu diển sự phối hợp công tác giữa động cơ và chong chóng khi điều kiện khai thác không thay đổi 14

Hình 1.5 Đồ thị biểu diển sự phối hợp công tác giữa động cơ và chong chóng khi điều kiện khai thác thay đổi 15

Hình 2.1 Đồ thị thay đổi độ dịch chuyển piston theo góc quay trục khuỷu 23

Hình 2.2 Sự thay đổi vận tốc piston theo góc quay trục khuỷu 24

Hình 2.3 Sự thay đổi gia tốc piston theo góc quay trục khuỷu 24

Hình 2.4a Lực tác dụng lên cổ biên, cổ trục 26

Hình 2.4b Kết cấu mặt cắt ngang động cơ diesel 4 kỳ Wartsila 20 26

Hình 3.1 Kết cấu mặt cắt ngang động cơ diesel 4 kỳ 6NVD36U 33

Hình 3.2 Sơ đồ khối tính toán chu trình công tác động cơ diesel 35

Hình 3.3 Sơ đồ khối tính hệ lực tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu 36

Hình 3.4.2 Đồ thị biểu diễn các thông số công tác của động cơ diesel thay đổi theo góc quay trục khuỷu của động cơ diesel khi thay đổi điều kiện môi trường làm việc: T0=3150K, P0=103000Pa, độ ẩm 80%,fs=260 39

Hình 3.4.3 Đồ thị biểu diễn các thông số công tác của động cơ diesel thay đổi theo góc quay trục khuỷu của động cơ diesel khi đặt tay ga ứng với 75% lượng nhiên liệu cấp cho chu trình (36,75kg/h) 42

Hình 3.4.4 Đồ thị biểu diễn các thông số công tác của động cơ diesel thay đổi theo góc quay trục khuỷu của động cơ diesel khi giảm góc phun sớm 20TK 44

Hình 3.4.5 Đồ thị biểu diễn các thông số công tác của động cơ diesel thay đổi theo góc quay trục khuỷu của động cơ diesel khi tăng góc phun sớm 20TK 45

Hình 3.4.6 Đồ thị biểu diễn các thông số công tác của động cơ diesel thay đổi theo góc quay trục khuỷu ứng với chế độ khởi động động cơ diesel (tương đương cấp 130% nhiên liệu cho chu trình – khi đó van an toàn nhảy) 46

Hình 3.4.7 Đồ thị biểu diễn các thông số công tác của động cơ diesel thay đổi theo góc quay trục khuỷu ứng với chế độ quá tải động cơ diesel (tương đương cấp 110% nhiên liệu cho chu trình) 47

Hình 3.5.1 Đồ thị chuyển vị, vận tốc và gia tốc theo góc quay trục khuỷu  52Hình 3.5.2 Đồ thị lực khí thể Pk, quán tính Pj và tổng hợp lực Pt 57(Trường hợp động cơ làm việc ứng với điều kiện chuẩn nơi thiết kế) 57Hình 3.5.3 Đồ thị lực Pb, T, Z theo góc quay trục khuỷu α với trường hợp động

cơ làm việc ứng với điều kiện chuẩn nơi thiết kế 59Hình 3.5.4 Đồ thị lực Pkt , Pj , Pt theo góc quay trục khuỷu α với trường hợp động

cơ làm việc ở chế độ khai thác định mức 61Hình 3.5.5 Các giá trị của Pb , T, Z với trường hợp động cơ làm việc ở chế độkhai thác định mức 63Hình 3.5.6 Các giá trị của Pkt , Pj , Pt với trường hợp động cơ làm việc ứng vớilượng nhiên liệu cấp cho chu trình giảm 65Hình 3.5.7 Các giá trị của Pb , T, Z với trường trường hợp động cơ làm việc ứngvới lượng nhiên liệu cấp cho chu trình giảm 67Hình 3.5.8 Các giá trị của Pkt , Pj , Pt với trường hợp động cơ làm việc ứng vớigiảm góc phun sớm 69Hình 3.5.9 Các giá trị của Pb , T, Z với trường hợp động cơ làm việc ứng vớigiảm góc phun sớm 71Hình 3.5.10 Các giá trị của Pkt , Pj , Pt với trường hợp động cơ làm việc ứng vớităng góc phun sớm 73Hình 3.5.11 Các giá trị của Pb , T, Z với trường hợp động cơ làm việc ứng vớităng góc phun sớm 75Hình 3.5.12 Các giá trị của Pkt , Pj , Pt với trường hợp động cơ làm việc khi côngsuất quá tải 77Hình 3.5.13 Các giá trị của Pb , T, Z với trường hợp động cơ làm việc khi côngsuất quá tải 79Hình 3.5.14 Các giá trị của Pkt , Pt với trường hợp động cơ làm việc ở chế độkhởi động 81Hình 3.5.15 Các giá trị của Pb , T, Z với trường hợp động cơ làm việc ở chế độkhởi động 83Hình 3.5.16: Các giá trị Pb trong 4 trường hợp khai thác ở chế độ định mức, chế

độ quá tải, chế độ khởi động, chế độ tăng góc phun sớm 84Hình 3.5.17: Các giá trị Z trong 4 trường hợp khai thác ở chế độ định mức, chế

độ quá tải, chế độ khởi động, chế độ tăng góc phun sớm 85

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Trong quá trình khai thác động cơ diesel thì các chế độ làm việc luôn thayđổi, đặc biệt là động cơ chính tàu thủy Động cơ diesel được thiết kế và chế tạoứng với chế độ định mức là chế độ làm việc lâu dài và được nhà chế tạo đảmbảo, nên khi khai thác khác với các chế độ khác với định mức thì chất lượng làmviệc của động cơ xấu đi, hệ lực tác dụng lên các chi tiết của động cơ thay đổi sovới điều kiện chuẩn Mức độ thay đổi nhiều hay ít phụ thuộc vào chế độ làmviệc của động cơ Để hiểu rõ điều đó nhằm khai thác động cơ hiệu quả và kéodài tuổi thọ động cơ nói chung và khuỷu trục nói riêng thì cần nghiên cứu bứctranh tổng thể về các lực tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu trong quá trình khaithác động cơ Cũng từ đó người khai thác xác định được nguyên nhân hư hỏngcác chi tiết chịu lực nặng nề, trong đó có cụm bạc – trục cổ biên là một trong cáccụm chi tiết hay hư hỏng nhất trong quá trình khai thác Căn cứ vào đó có thểxây dựng qui trình khai thác hợp lý, kéo dài tuổi thọ của chúng và nếu có bị hưhỏng thì cũng xây dựng được qui trình sửa chữa phù hợp, giảm chi phí và thờigian cho việc sửa chữa

Do vậy, em chọn đề tài luận văn tốt nghiệp thạc sĩ: “Nghiên cứu lực tác dụng lên cổ biên trong quá trình khai thác động cơ diesel 4 kỳ”.

2 Mục đích nghiên cứu

Xác định lực tác dụng lên cổ biên của động cơ diesel 4 kỳ trong quá trìnhkhai thác

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel 4 kỳ.

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu lực tác dụng lên cổ biên đối với động cơ

diesel 4 kỳ bố trí một hàng xi lanh thẳng đứng

4 Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp áp dụng tính toán cho trường hợp cụ thể

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

Ý nghĩa khoa học của đề tài: Góp phần làm rõ hơn phương pháp tính lực

tác dụng lên cổ biên của động cơ diesel 4 kỳ bố trí một hàng xi lanh thẳng đứng

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Mô tả bức tranh tổng thể về hệ lực tác dụng

lên cơ cấu biên khuỷu nói chung và các lực tác dụng lên cổ biên nói riêng nhằmkhuyến nghị, định hướng người sử dụng động cơ diesel khai thác đạt hiệu quảcao và kéo dài tuổi thọ động cơ nói chung, nói riêng đối với nhóm biên khuỷu

Chương 1 CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC VÀ ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL 4 KỲ

Để có cơ sở nghiên cứu lực tác dụng lên cổ biên trong quá trình khai thácđộng cơ diesel 4 kỳ nhằm nâng cao tuổi thọ của nó thì cần phân tích rõ các chế

độ làm việc và đặc tính động cơ Từ đó, có thể tính toán hay phân tích, đánh giáđối với các trường hợp khai thác đặc biệt, ứng với các trường hợp này thì các lựctác dụng lên cổ biên lớn nhất hay khắc nghiệt nhất Vì vậy trong chương nàytrình bày chủ yếu về các chế độ làm việc và đặc tính động cơ

1.1 Các chế độ làm việc của động cơ diesel tàu thuỷ

Động cơ diesel tàu thuỷ làm việc trong các điều kiện thay đổi tải có tínhchu kỳ do tác động của các yếu tố bên ngoài và bên trong Đối với động cơchính cần phải lựa chọn chế độ làm việc sao cho đảm bảo chất lượng quá trìnhcông tác tối ưu, tính kinh tế cao và ứng suất cơ, nhiệt nằm trong giới hạn chophép Mỗi chế độ làm việc của động cơ được đặc trưng bằng các thông số khaithác kỹ thuật xác định

Khi phân tích sự làm việc của động cơ, người ta phân ra các chế độ ổnđịnh và các chế độ không ổn định Các yếu tố đặc trưng cho quá trình công táccủa động cơ ở chế độ ổn định không thay đổi theo thời gian Đối với các chế độkhông ổn định, do mất cân bằng giữa mômen quay và mômen cản nên các thông

số của quá trình công tác thay đổi theo thời gian Phụ thuộc vào loại tàu và điềukiện khai thác, động cơ chính có thể làm việc ở chế độ ổn định hay không ổnđịnh

1.1.1 Chế độ làm việc ổn định của động cơ

Chế độ làm việc ổn định của động cơ là chế độ làm việc mà hai thông sốmômen và vòng quay không thay đổi theo thời gian Các chế độ này diễn ra khiphụ tải ổn định, phương tiện vận tải thủy hoạt động trong điều kiện trên biênsóng gió nhẹ, phương tiện vận tải bộ hoạt động trên đường bằng phẳng Nóichung khi làm việc ở chế độ ổn định công suất động cơ phát ra cấp cho thiết bịtiêu thụ năng lượng thay đổi với mức độ nhỏ nên giả định như không thay đổi

Chế độ ổn định tải của động cơ được quyết định bởi công suất và vòngquay Công suất động cơ được phân thành các dạng sau:

- Công suất định mức N eH: là công suất có ích do động cơ phát ra ứng vớivòng quay định mức nH được nhà sản xuất đảm bảo khi làm việc trong điều kiệnnhất định

- Công suất cực đại N emax: là công suất có ích do động cơ phát ra trongthời gian ngắn không vượt quá 10% NeH với điều kiện môi trường và điều kiệnlàm việc nhất định Theo quy định, sau 6 giờ làm việc ở chế độ định mức động

cơ có thể làm việc ở chế độ công suất cực đại trong khoảng 1 giờ

- Công suất sử dụng N esd: là công suất có ích của động cơ phát ra khônggiới hạn thời gian Trong quá trình khai thác động cơ diesel tàu thuỷ thườngdùng công suất sử dụng, Nesd ≈ (0,8÷0,9) NeH

- Công suất tiết kiệm N etk: là công suất có ích ứng với suất tiêu hao nhiênliệu nhỏ nhất, động cơ phát ra không giới hạn thời gian Để tiết kiệm nhiên liệunên khai thác động cơ ở chế độ này

- Công suất cực tiểu N emin: là công suất nhỏ nhất động cơ có thể làm việckhông hạn chế thời gian, công suất này đánh giá khả năng chạy chậm của tàuthuỷ

- Công suất ứng với vòng quay ổn định nhỏ nhất: là công suất do động cơ

phát ra ứng với vòng quay không lớn hơn 30% vòng quay định mức

Đặc tính các chế độ làm việc của động cơ không phụ thuộc vào loại thiết

bị tiêu thụ và là tổng hợp các thông số của hệ thống không thay đổi theo thờigian

Các thông số công tác của chu trình ở các chế độ ổn định được dùng làmtiêu chuẩn để đánh giá sự hoàn thiện của chu trình ở các chế độ không ổn định

1.1.2 Chế độ làm việc không ổn định của động cơ

Chế độ làm việc không ổn định của động cơ là chế độ mà mômen và vòng

quay của động cơ luôn thay đổi theo thời gian Hệ động cơ - phụ tải chuyển từ

chế độ ổn định này sang chế độ ổn định khác phải trải qua các chế độ không ổnđịnh trung gian, các chế độ không ổn định trung gian được gọi là chế độ chuyển

tiếp Khi đó phụ tải thay đổi theo thời gian nên các thông số công tác của động

cơ cũng thay đổi theo thời gian Các đặc tính của chế độ không ổn định của động

cơ phụ thuộc không chỉ vào động cơ mà còn phụ thuộc vào nguồn tiêu thụ nănglượng

Sự làm việc của động cơ ở chế độ không ổn định khác với ở chế độ ổnđịnh, do quán tính của các hệ thống tự động điều chỉnh, cấp nhiên liệu, trao đổikhí và trạng thái nhiệt các chi tiết So với các chế độ ổn định thì ở các chế độkhông ổn định hệ số dư lượng không khí thay đổi do thay đổi lượng không khí

và lượng nhiên liệu cấp vào cho động cơ, chất lượng phun nhiên liệu và hoà trộnnhiên liệu xấu đi, ứng suất nhiệt và cơ lên các chi tiết động cơ thay đổi, hiệu suất

cơ giới cũng thay đổi theo Sự thay đổi trên dẫn đến giảm thực sự tính kinh tếnhiên liệu của động cơ, tăng ứng suất nhiệt lên các chi tiết nặng tải, tăng độ màimòn các chi tiết làm việc, phân phối lại tải giữa các xilanh Sau đây trình bàymột số chế độ làm việc không ổn định của động cơ

a) Khởi động động cơ

Trục khuỷu động cơ quay đến vòng quay khởi động nhờ ắc quy hoặc khínén Đối với động cơ trung tốc và cao tốc nhiên liệu được phun vào xilanh đồngthời với quay trục khuỷu khi khởi động (phương pháp khởi động hỗn hợp), nhờvậy giảm được thời gian khởi động động cơ

Đối với các động cơ tàu thuỷ thấp tốc, quá trình phun nhiên liệu vào động

cơ được thực hiện bởi cơ cấu truyền động, cơ cấu này liên kết hệ thống khởiđộng với hệ thống điều khiển cấp nhiên liệu, nhiên liệu được cấp vào xilanh saukhi quay trục khuỷu bằng không khí nén Không khí nén có nhiệt độ ban đầu

3000K giãn nở trong xilanh làm giảm đáng kể nhiệt độ động cơ Khi khởi độngđộng cơ đang ở trạng thái nóng bằng không khí lạnh, do bị làm mát bề mặt độtngột, lớp vật liệu bề mặt các chi tiết có nhiệt độ cao như ống lót xilanh, nắpxilanh, đỉnh piston chịu ứng suất kéo, vì thế làm tăng xác suất khă năng nứt tế vi

bề mặt Khi khởi động động cơ từ trạng thái nguội, trao đổi nhiệt với vách làmtăng thời gian cháy trì hoãn τi Do vậy thời gian khởi động động cơ bằng khôngkhí nén phải đảm bảo giá trị nhỏ nhất Theo quy định của Đăng kiểm, thời gian

khởi động động cơ phụ bằng không khí nén không được vượt quá 12 giây Nếutrong thời gian khởi động, lượng cấp nhiên liệu gần với định mức thì quá trìnhcháy sẽ diễn ra với tốc độ tăng áp suất cao, còn áp suất cháy cực đại lớn hơn giátrị định mức, do vậy làm tăng phụ tải lên ổ trục và tốc độ mài mòn nhóm piston– xilanh (đặc biệt là ống lót xilanh).

Trong quá trình khởi động động cơ thì thông thường, do nhiều lý do khácnhau mà sau một vòng quay động cơ chưa hoạt động được ngay, có thể nhiềuvòng quay khi đó lượng nhiên liệu cấp vào xi lanh lớn hơn nhiều lần ứng vớimột chu trình, đặc biệt đối với động cơ có tình trạng kỹ thuật xuống cấp Khi đó

sự hòa trộn hỗn hợp và cháy xấu, thời gian cháy trì hoãn tăng lên, nên khi quátrình cháy xẩy ra làm tăng áp suất đột ngột, đó là một trong các nguyên nhân gâytăng phụ tải cơ lên cụm chi tiết nhóm piston – biên, đặc biệt là đối với cặp bạc –

cổ biên Vì lý do đó nên đối với động cơ có công suất vừa và lớn trên mỗi nắp xilanh bắt buộc phải lắp van an toàn Áp suất mở van an toàn khoảng 1,5 lần ápsuất cháy cực đại Không chỉ trong quá trình khởi động, mà cả trong trường hợpđộng cơ làm việc quá tải, đặc biệt là đối với động cơ có tình trạng kỹ thuậtxuống cấp và gây nên quá tải cục bộ đối với một vài xi lanh Khi đó mức va đập,

độ hao mòn, hư hỏng cục bộ tăng lên rất nhanh đối với các chi tiết chịu lực chủyếu của động cơ, trong đó có cắp bạc – cổ biên là một trong các khâu yếu nhấtcủa động cơ Vì thế, trong quá trình tính toán, mô phỏng đối với động cơ cụ thể

ở chương 2, 3 sẽ nghiên cứu và làm rõ hơn trường hợp này

b) Đóng tải

Tăng nhanh phụ tải từ 0 đến 100% là đặc tính làm việc của động cơ diesellai máy phát Tăng mômen cản làm thay đổi các thông số quá trình công tác củađộng cơ diesel Khi tăng phụ tải, mômen quay lớn hơn mômen cản nên vòngquay động cơ giảm xuống, do tác dộng của bộ điều tốc thanh răng bơm cao ápdịch chuyển sang hướng làm tăng nhiên liệu cấp cho chu trình Lượng không khícấp cho động cơ phụ thuộc vào vòng quay rôto tuabin – máy nén, tức là phụthuộc vào nhiệt độ khí xả Trong thời điểm đầu tiên, tăng lượng nhiên liệu cấpcho chu trình, lượng không khí cấp cho động cơ hầu như không thay đổi do quán

tính của rôto tuabin – máy nén nên vòng quay của nó chưa kịp tăng lên, bởi thế

hệ số dư lượng không khí giảm nhanh, còn áp suất và nhiệt độ khí xả tăngnhanh Khi rôto tuabin – máy nén bắt đầu tăng tốc, suất tiêu hao không khí chođộng cơ tăng, nên hệ số dư lượng không khí cũng được tăng lên Quá trìnhchuyển tiếp khi đóng tải kéo theo tăng khói và độc tố trong khí xả Luật Đăngkiểm quy định, khi cắt tải nhanh 100% và đóng tải 70% tải, thay đổi nhanh vòngquay không vượt quá 10% so với định mức

c) Tăng tốc tàu

Tăng tốc tàu liên quan tới tăng công suất do động cơ phát ra Tốc độ

tương đối của tàu có thể viết theo công thức: T

T TH

V V V

d) Đảo chiều quay trục khuỷu động cơ chính khi chạy tàu

Đảo chiều quay trục khuỷu động cơ nhằm mục đích thay đổi hướngchuyển động của tàu hay tăng tốc độ dừng tàu

Dừng tàu khi chong chóng không làm việc và quay tự do do tác động sứccản tự nhiên của tàu gọi là chạy tự do Thời gian để tàu dừng khoảng một vàichiều dài thân tàu Để rút ngắn thời gian chạy tự do có thể áp dụng các biệnpháp hãm động cơ sau hãm bánh đà bằng phanh thuỷ lực hay khí nén, phanhkhớp nối hệ trục hay hãm trục chủ động của bộ giảm tốc, nén khí nén vào xilanhđộng cơ ở đầu quá trình nén, giảm áp trong xilanh cuối quá trình nén bằng thiết

bị giảm áp

Để tạo ra mômen hãm động cơ cần phải tạo ra công nén ở cuối quá trìnhnén lớn hơn công giãn nở Nếu ngắt nhiên liệu ở cuối quá trình nén, đồng thời xảphần không khí nén trong xilanh qua thiết bị giảm áp thì trong hành trình giãn

nở tiếp theo, công giãn nở sẽ nhỏ hơn công nén Đây là phương pháp hãm bằngthiết bị giảm áp.

Trên các động cơ công suất trung bình và lớn áp dụng rộng rãi cách hãmđộng cơ bằng không khí nén Sau khi ngắt nhiên liệu và giảm vòng quay, trụccam phối khí được chuyển sang vị trí đảo chiều Sau đó các van khởi động chínhđược mở, thông qua các van khởi động, khí nén được nạp vào xilanh Tuy nhiênpha phối khí không phải tương ứng hoàn toàn với chiều quay của trục khuỷu,xupáp khởi động được mở sau khi đóng xupáp xả, khi piston đi lên ĐCT Ápsuất khí trong xilanh tăng lên do khí nén nạp vào xilanh và thể tích xilanh nhỏ.Khi áp suất khí trong xilanh bằng áp suất trong đường ống khởi động chính thìkhí từ xilanh rò lọt ngược đường ống khởi động chính Trong xilanh áp suất tăngchậm, còn tại vùng ĐCT áp suất bắt đầu giảm Kết quả là công giãn nở khipiston đi xuống ĐCD nhỏ hơn công nén, có nghĩa là động cơ đã tạo ra mômenhãm

1.2 Đặc tính của động cơ diesel tàu thuỷ

Trong quá trình khai thác động cơ, người ta dùng các đặc tính để đánh giácác chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ làm việc trong các điều kiện khác nhau.Đặc tính của động cơ là hàm số biểu diễn sự thay đổi một trong các chỉ tiêucông tác chủ yếu của động cơ so với chỉ tiêu công tác khác Trong động cơdiesel tàu thuỷ thường dùng các đặc tính sau:

- Đặc tính tốc độ: là hàm biểu diễn sự thay đổi các thông số công tác của

động cơ (công suất, mômen, suất tiêu hao nhiên liệu, hiệu suất, hệ số dư lượngkhông khí α…) theo vòng quay trục khuỷu Ứng với một thanh răng cấp nhiên) theo vòng quay trục khuỷu Ứng với một thanh răng cấp nhiênliệu ta thu được một họ đường đặc tính tốc độ Đặc tính tốc độ thu được bằngcách thí nghiệm động cơ trên bệ thử Đặc tính tốc độ được phân ra đặc tínhngoài, đặc tính bộ phận, và đặc tính chong chóng Khi thử nghiệm nếu đạt thanhrăng ở vị trí cấp nhiên liệu lớn nhất ta thu được đường đặc tính ngoài, nếu đạtthanh răng ở các vị trí cấp nhiên liệu trung gian thấp hơn đặc tính ngoài ta thuđược đặc tính bộ phận, đặc tính chong chóng thu được khi trục khuỷu động cơ

nối trực tiếp (hoặc thông qua thiết bị truyền động) với chong chóng tàu thuỷ haycác thiết bị tiêu thụ công suất tương tự như chong chóng tàu thuỷ.

- Đặc tính tải: là hàm số biểu diễn sự thay đổi các thông số công tác của

động cơ theo công suất có ích Ne hay áp suất có ích trung bình pe khi vòng quaykhông đổi

- Đặc tính điều chỉnh: là hàm số biểu diễn sự thay đổi các thông số công

tác của động cơ theo một trong các thông số điều chỉnh (góc phun sớm, góc phốikhí, nhiệt độ nước làm mát…) theo vòng quay trục khuỷu Ứng với một thanh răng cấp nhiên) ảnh hưởng đến sự làm việc của động cơ

- Đặc tính điều tốc: là hàm số biểu diến sự thay đổi vòng quay và các

thông số công tác khác của động cơ theo công suất có ích Ne hay áp suất có íchtrung bình pe khi tác động lên thanh răng bơm cao áp

- Đặc tính giới hạn: là hàm số biểu diễn sự thay đổi công suất theo vòng

quay khi các thông số hạn chế nằm ở giới hạn cho phép

- Đặc tính tổng hợp: là sự phụ một hay một vài thông số, không thay đổi

vào hai thông số công tác chủ yếu của động cơ

Sự phụ thuộc các thông số công tác ở chế độ không ổn định vào thời giankhi chuyển động cơ từ chế độ ổn định này sang chế độ ổn định khác gọi là đặctính chuyển tiếp Các đặc tính này hình thành khi khởi động, đóng tải, ngắt tải,dừng động cơ v.v

1.2.1 Đặc tính tải

Các đường đặc tính tải được sử dụng để nghiên cứu các thông số của động

cơ khi thay đổi phụ tải ứng với vòng quay không thay đổi Khi vòng quay khôngthay đổi, tăng công suất từ chế độ không tải đến chế độ định mức và cao hơnbằng cách tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình, vì Ne được tính theo phươngtrình:

3600

h

B

Trong đó: - ηi, ηm là hiệu suất chỉ thị và có ích

- Bh là lượng nhiên liệu cấp cho động cơ trong 1 giờ, kg/h

Bh = i.gct.(60.n/z)

Tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình cùng với tăng công suất động cơ

sẽ làm tăng áp suất pmax và nhiệt độ khí xả, do đó công suất tuabin khí xả vàvòng quay rôto tuabin máy nén tăng lên Vì thế áp suất, nhiệt độ không khí tăng

áp nạp vào xilanh, áp suất môi chất cuối quá trình nén, áp suất cháy cực đạicũng tăng

Hình 1.1 a, b Sự phụ thuộc các thông số công tác vào công suất khi động cơ làm việc theo

đặc tính tải

g ct - lượng nhiên liệu cấp cho chu trình; g e - suất tiêu hao nhiên liệu có ích; T x - nhiệt độ khí xả; p max - áp suất cực đại của chu trình;  i ,  m - hiệu suất chỉ thị và có ích;  - hệ số dư lượng không khí; 1, 2, 3 - ứng với thời điểm động cơ xả khói đen, khi tỷ số g e /N e nhỏ nhất và g e nhỏ nhất.

Khi tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình quá lớn thì mặc dù gct tănglên nhưng động cơ vẫn giảm xuống, do lượng gct cấp quá lớn so với lượng khôngkhí cấp cho chu trình:

Vì thế khi tăng công suất hệ số dư lượng không khí giảm xuống Đối vớiđộng cơ diesel không tăng áp khi tăng công suất, GB không tăng mà giảm xuốngmột ít, do vậy hệ số lượng dư không khí giảm nhanh hơn so với động cơ dieseltăng áp, do khi tăng công suất, đối với động cơ diesel tăng áp thì khối lượngriêng không khí nạp ρs tăng lên Khi tăng tải, hệ số lượng dư không khí tiếp tụcgiảm làm quá trình cháy kéo dài trên đường giãn nở gần thời điểm mở xupápthải, đồng thời tăng hiện tượng cháy không hoàn toàn, tăng tổn thất nhiệt chovách và khí xả, nên hiệu suất chỉ thị giảm Giảm hệ số dư lượng không khí α thì

đối với động cơ cụ thể, tỷ số ηi/α tăng lên đến một giới hạn nào đó, sau đó bắtđầu giảm nhanh

Vì thế khi tăng công suất Ne, hiệu suất

cơ giới ηm tăng lên từ chế độ không tải đến giá

trị lớn nhất ứng với công suất Ne lớn nhất có

thể phát ra Hiệu suất cơ giới thay đổi theo

Đường cong suất tiêu hao nhiên liệu có

ích trong trường hợp này phụ thuộc vào đặc

tính thay đổi hiệu suất chỉ thị ηi và hiệu suất cơ giới:

3600 ,

.

m e

H i m

g Q

Trên cơ sở phân loại công suất các đường đặc tính ngoài có thể phân ra:

Hình 1.2 Sự phụ thuộc các thông

số công tác vào phụ tải

- Đặc tính ngoài giới hạn: biểu diễn các chế độ khai thác giới hạn của

động cơ Đường đặc tính này biểu diễn công suất động cơ phát ra khi vị trí tay

ga bơm cao áp nằm ở vị trí lượng nhiên liệu thấp nhất ứng với các vòng quaykhác nhau Động cơ làm việc theo đường đặc tính này làm tăng ứng suất nhiệtcác chi tiết nhóm piston – xilanh Các chỉ số động học quá trình công tác cao

- Đặc tính ngoài khai thác lớn nhất: còn gọi là đường đặc tính hạn chế

theo bơm cao áp Lượng nhiên liệu cấp được hạn chế bởi chốt tỳ trên cơ cấuđiều khiển cấp nhiên liệu Đường đặc tính này cho phép động cơ làm việc vớithời gian ngắn (1 - 2 giờ), có thể quá tải 10% công suất ứng với vòng quaykhông lớn hơn 3% vòng quay định mức, tức là Nemax = 1,1.NeH khi nmax= 1,03.nH

- Đặc tính ngoài định mức: thu được khi vị trí thanh răng bơm cao áp

không thay đổi, đường cong này đi qua điểm ứng với chế độ làm việc định mức.Các thông số khai thác của động cơ theo đường đặc tính này được nhà máy chếtạo đảm bảo, có thể khai thác động cơ không hạn chế thời gian

- Đặc tính khai thác: là đường

đặc tính tốc độ mà hành trình có ích của bơm cao áp được giữ ở vị trí sao cho đường cong đặc tính đi qua điểm ứng với công suất Nekt = 0,85÷0,95NeH và vòng quay khai thác

- Đặc tính bộ phận: là đường đặc tính giống như đường đặc tính ngoài

nhưng với lượng nhiên liệu cấp cho chu trình nhỏ hơn đặc tính ngoài

Sự thay đổi các thông số quá trình công tác khi động cơ làm việc theođường đặc tính ngoài phụ thuộc chủ yếu vào hệ thống phối khí, kết cấu bơm cao

áp và vòi phun

1.2.3 Đặc tính chong chóng

Ở chế độ ổn định công suất động cơ làm việc theo đường đặc tính chongchóng bằng công suất tiêu thụ cho chong chóng Đối với chong chóng bước cốđịnh, công suất phhụ thuộc vào vòng quay có dạng đường cong parabol Cácđường đặc tính chong chóng phụ thuộc vào tốc độ và sức cản môi trường chuyểnđộng của tàu, sức cản thay đổi phụ thuộc vào điều kiện chạy tàu Công suất củađộng cơ khi làm việc với chong chóng, tính theo công thức, kW:

Hình 1.3 Các đường đặc tính tốc độ

5 3 3 2

và mômen quay thay đổi tỷ lệ thuận với bình phương vòng quay:

Pe = c1.n2; Me = c2.n2 (c1, c2 là hệ số tỷ lệ)Đặc tính chong chóng của động cơ chính khi tàu chuyển động trong vùngnước sâu có tính đến tải nếu như nó đi qua chế độ làm việc định mức gọi là đặctính định mức Ứng với vòng quay định mức, công suất tiêu thụ cho chongchóng nhỏ hơn công suất định mức thì được gọi là đặc tính nhẹ tải, đường đặctính cao hơn định mức gọi là đặc tính nặng tải Trong quá trình khai thác tàu,đặc tính chong chóng thay đổi phụ thuộc vào điều kiện hoạt động, tình trạng vỏtàu và chong chóng

Khi thử nghiệm động cơ trên bệ thử, đặc tính chong chóng định mức cóthể xác định theo công thức:

3

công suất không tiêu thụ hết vì đường đặc tính hạn chế nằm trên đường đặc tínhchong chóng Phần công suất dự trữ có thể sử dụng để dẫn động máy phát đồngtrục Xem xét đồng thời các phương trình (1.1), (1.7) thấy rõ lượng nhiên liệucấp cho chu trình gct ≈ n2/(ηi.ηm), có nghĩa gct có tăng lên cùng với tăng vòngquay.

1.3 Sự phối hợp làm việc giữa đặc tính ngoài của động cơ và đặc tính chong chóng

Hình1.4 Đồ thị biểu diển sự phối hợp công tác giữa động cơ và chong chóng khi điều kiện khai

thác không thay đổi.

C 0 : Đặc tính chong chóng ứng với điều kiện khai thác yên sóng gió;

N n = const: Đặc tính ngoài ứng với tay ga định mức;

N, K, I, H : Các điểm khai thác tương ứng với các vị trí tay ga khác nhau.

1.3.1 Khi điều kiện khai thác không thay đổi

Đồ thị hình 1.4 biểu sự phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt địnhbước khi điều kiện công tác không thay đổi Giả sử tàu công tác trong vùng biểnyên sóng gió tương ứng với đường đặc tính chân vịt không thay đổi C0 Động cơđang làm việc với đường đặc tính ngoài (Mn=const) ứng với lượng cấp nhiênliệu định mức (dwn=const)

Điểm phối hợp công tác sẽ là giao điểm N của đường đặc tính chongchóng (C0) và đường đặc tính ngoài (MH, hH) Tại đây mômen do động cơ sinh racân bằng với mômen cản trên đế chân vịt, lực đẩy cân bằng với lực cản, và tại Ncông suất động cơ là công suất định mức NH và vòng quay định mức nn Tuynhiên trong thực tế khai thác không phải lúc nào cũng đạt được công suất tạiđiểm N Chẳng hạn: khi động cơ đã cũ, khi một vài xi lanh bị sự cố, tua bin tăng

áp bị hỏng hay khi tàu khai thác trong luồng lạch hẹp, cạn thì ta phải thay đổitay ga nhiên liệu để tìm một điểm khai thác hợp lí mà vẫn an toàn cho động cơ

Ngoài ra do phải dự trữ một phần công suất để khắc phục khi phụ tải tăngđột ngột do sóng gió hoặc nhằm tăng cao tuổi thọ của động cơ nên ta thường sửdụng công suất phát ra của động cơ nhỏ hơn công suất định mức Do đó điểmphối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt thường là điểm K và ta có:

Nk = (0,80÷0,90)NH

1.3.2 Khi điều kiện khai thác thay đổi

Giả sử sức cản con tàu thay đổi do sóng gió hay tải trọng hàng hoá…

Hình 1.5 Đồ thị biểu diển sự phối hợp công tác giữa động cơ và chong chóng khi điều kiện khai

thác thay đổi.

Thay đổi tương ứng với các đặc tính chân vịt Cu ,C1 ,C0, C2,Cf Động cơđang làm việc ở đặc tính ngoài ở chế độ định mức thì điểm phối hợp công táctương ứng sẽ là Ku, K1, K0, K2, Kf

Nhận xét:

- Các đường đặc tính động cơ chính là cơ sở để xác định đặc tính kéo của

tàu, tốc độ của nó cũng như đặc tính thủy lực của chong chóng Các đường đặctính còn được sử dụng khi nghiên cứu sự thay đổi các thông số công tác củađộng cơ trong quá trình khai thác và trong dự đoán kỹ thuật sự mài mòn các chitiết, cũng như sự lắng đọng cáu cạn hệ thống phối khí

- Giá trị các thông số Ne, Me, ge phụ thuộc vào một trong các thông số củachu trình công tác n, i, m, , r , n Các thông số công tác của chu trình phụthuộc vào các yếu tố khác nhau: kết cấu, tình trạng kỹ thuật của động cơ, điềukiện khai thác và điều kiện môi trường Các đường đặc tính của động cơ là cơ sơ

để phân tính quá trình công tác động cơ diesel tàu thủy khi khai thác

- Trong quá trình khai thác động cơ, chế độ làm việc luôn thay đổi, đồng

thời tình trạng kỹ thuật của động cơ giảm xuống theo thời gian khai thác.

- Trong các chế độ làm việc của động cơ diesel, đặc biệt đối với động cơchính tàu thủy thì chế độ khởi động đối với tình trạng kỹ thuật động cơ xuốngcấp và chế độ làm việc quá tải, trong đó chế độ làm việc quá tải cục bộ đối vớimột vài xi lanh ảnh hưởng rõ rệt tới chất lượng làm việc của động cơ Khi đóphụ tải tác dụng lên các chi tiết chủ yếu của động cơ tăng lên rõ rệt, tốc độ tăng

áp suất trung bình, mức độ va đập giữa các chi tiết chuyển động tương đối vớinhau tăng đột biến, trong đó có cặp bạc – cổ biên động cơ

Các nhận xét nêu trên là luận cứ để trình bày sâu hơn hệ lực tác dụng lên

cổ biên trong quá trình khai thác động cơ diesel 4 kỳ một hàng thẳng đứng trongchương 2 và chương 3

Chương 2 CƠ SỞ TÍNH LỰC TÁC DỤNG LÊN CỔ BIÊN TRONG QUÁ

TRÌNH KHAI THÁC ĐỘNG CƠ DIESEL 4 KỲ

Để tính hệ lực tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu nói chung và cổ biên nóiriêng trong quá trình khai thác động cơ cần phải xác định tổng hợp lực lực khíthể và lực quán của các chi tiết tham gia chuyển động tịnh tiến, lực quán tínhcủa khối lượng tham gia chuyển động quay Muốn vậy cần tính toán chu trìnhcông tác của động cơ ứng với các chế độ này để xác định lực khí thể đối vớitừng trường hợp Muốn xác định tổng hợp lực lực quán của các chi tiết tham giachuyển động tịnh tiến, lực quán tính của khối lượng tham gia chuyển động quaycần xác định khối lượng các chi tiết tham gia chuyển động và gia tốc chuyểnđộng của nhóm piston – biên Vì thế cần xác định tốc độ dịch chuyển, vận tốc vàgia tốc của chúng

2.1 Tổng hợp công thức tính chu trình công tác của động cơ diesel

2.1.1 Thành phần hoá học của nhiên liệu

Nhiên liệu sử dụng là dầu diesel thành phần % lấy theo số liệu kinhnghiệm:

C = 87%, H = 12%, O = 0,6%, S = 0,1%, W = 0,3% (2.1.1)

2.1.2 Nhiệt độ và áp suất môi trường xung quanh

Chọn nhiệt độ môi trường bằng nhiệt độ trong buồng máy:

Với điều kiện thiết kế T0 = 293 oK và P0 = 0,103 MPa

Với điều kiện môi trường làm việc ở chế độ định mức To = 3150K vàP0 = 0,101MPa

2.1.3 Tốc độ trung bình của piston

Tốc độ trung bình của piston xác định theo công thức:

  + r: Bán kính quay trục khuỷu, m;

+ lb: Chiều dài biên, m;

2.1.5 Chọn các thông số của trạng thái khí sót

C, H, O, S, W hàm lượng cacbon, hidro, oxy, lưu huỳnh, nước có trongthành phần nhiên liệu,( %)

Áp suất không khí cuối quá trình nạp, Mpa:

2

W.100000576.W

pr, Tr : là áp suất và nhiệt độ khí sót, Pa, K

t = (5 ÷ 10)0C - độ tăng nhiệt độ không khí nạp do nhận nhiệt từ ống xả

và các chi tiết tiếp xúc với khí nạp, chọn t = 100C

Nhiệt độ không khí cuối quá trình nạp; Ta, K:

r

r r s

a

T t T T

.

(2.1.6)Diện tích bề mặt xung quanh thể tích xilanh công tác khi piston ở điểmchết dưới F0, m2:

D, S - đường kính xilanh và hành trình piston, m

Diện tích bề mặt các chi tiết tiếp xúc với môi chất công tác Fvs, m2:

F vs F o  DF S  0,5 1  D  cos   0,5 .sin  2  (2.1.8)

- góc quay trục khuỷu, rad

Thể tích công tác của xi lanh V1, m3:

Thể tích công tác của xi lanh tính theo trục khuỷu, m3:

1 cos ) 0 , 25 ( 1 cos 2 ] [

25 ,

a n

Hệ số dư lượng không khí  không kể đến hàm lượng ẩm(kg):

Z = 0,5- hệ số kì của động cơ 4 kì; i = 6- số xilanh

Hệ số dư lượng không khí  có kể đến hàm lượng ẩm:

Tkf - nhiệt độ môi chất trong xilanh lúc bắt đầu phun nhiên liệu

pkf - áp suất môi chất trong xilanh lúc bắt đầu phun nhiên liệu

Trong quá trình tính chu trình công tác của động cơ diesel có thể lựa chọnmột trong các công thức tính hệ số truyền nhiệt từ khí đến vách ống lót xilanhαmc trình bày dưới đây phụ thuộc vào loại động cơ:

- Công thức của Nuxent áp dụng cho động cơ diezel thấp tốc:

 - hệ số truyền nhiệt từ khí đến vách ống lót xilanh, kW/(m 2 K);

pkc, pk, po- áp suất khí cháy, không khí tăng áp, không khí môi trường,Mpa;

Cm - tốc độ trung bình piston, m/s; D - đường kính xilanh, m;

Tkc, Tvx- nhiệt độ khí cháy, nhiệt độ trung bình của vách ống lót xilanh, K

- Bề mặt trao đổi nhiệt tức thời của vách với môi chất công tác, m2:

- Lượng nhiệt tỏa ra và tốc độ toả nhiệt theo công thức Vibe:

Phần trăm nhiệt lượng toả ra theo góc quay trục khuỷu x:

- Tốc độ toả nhiệt theo góc quay trục khuỷu:

m = 0,3 ÷ 1 chỉ số đặc trưng cho sự phát triển sự cháy;

z = (30 ÷ 50)0TK: thời gian cháy nhiên liệu tính theo GQTK;

i



   - góc bắt đầu cháy ;

fs - góc phun sớm nhiên liệu (lấy theo động cơ hoặc động cơ mẫu);

i - thời gian cháy trễ của nhiên liệu

- Áp suất chỉ thị trung bình pi, MPa:

i

p g

- Áp suất có ích trung bình pe, MPa: pe = pi - pm

pm = am + bm.Cm : áp suất tổn hao cơ giới, MPa;

Đối với động cơ có buồng cháy thống nhất: am = 0,088; bm = 0,0118;Đối với động cơ có buồng cháy trước: am = 0,103; bm = 0,0135;

Đối với động cơ buồng cháy phân cách am = 0,103 ; bm= 0,015

- Hiệu suất cơ giới m: e

m i

p p

- Suất tiêu hao nhiên liệu có ích:

0

3600

n s e

g

Q

1000

3600



m i

2.2 Độ dịch chuyển, vận tốc và gia tốc chuyển động của nhóm piston

2.2.1 Độ dịch chuyển của nhóm piston

Trong quá trình làm việc của động cơ, piston liên tục dịch chuyển từ điểmchết trên (ĐCT) đến điểm chết dưới (ĐCD) và ngược lại, độ dịch chuyển củapiston sx thay đổi theo góc quay trục khuỷu  hay theo thời gian , vì thế trong taqui ước tính toán độ dịch chuyển của piston sx theo góc quay  và góc quay  =

00TK ứng với piston nằm tại vị trí ĐCT (đối với động cơ bố trí một hàng xi lanhthẳng đứng)

Hình 2.1 Đồ thị thay đổi độ dịch chuyển piston theo góc quay trục khuỷu

Nhìn vào hình 2.1 ta thấy, khi piston dịch chuyển từ ĐCT đến ĐCD độdịch chuyển sx được tính:

s x AA' OA OA' OA OCCA'rl b  rcos  l bcos , (2.2.1)

lb - chiều dài biên, m;

r - bán kính quay của khuỷu trục, m;

 - góc quay của khuỷu trục đang xét ứng với sx tính từ ĐCT;

 - góc lắc của biên so với đường tâm xi lanh

ds d

ds

 = d/d - vận tốc góc của trục khuỷu, rad/s

Hình 2.2 Sự thay đổi vận tốc piston theo góc

là thành phần vận tốc bổ sung ứng với chiều dài biên có hạn Theo kết quả tínhtoán và đồ thị biểu diễn trên hình 2.2, 2.3, vận tốc piston theo góc quay trụckhuỷu có dạng hình sin, ứng với các điểm chết ( = 00, 1800, 3600) giá trị vp = 0,giá trị vp đạt cực trị ứng với góc  < 900 và  > 2700

2.2.3 Gia tốc của nhóm piston

Gia tốc của piston được xác định bằng cách đạo hàm vận tốc theo thời gian.Đạo hàm công thức 2.4 ta có:

dv d

dv

Đồ thị gia tốc piston thay đổi theo thời gian được biểu diễn trên hình 2.3

Từ kết quả tính toán và đồ thị trên hình 2.3 ta thấy gia tốc piston cũng là tổngcủa hai thành phần: thành phần thứ nhất (ứng với chiều dài biên dài vô cùng) J1

= 2r cos và thành phần thứ hai (ứng với chiều dài biên hữu hạn) J2 = 2r

cos2

Giá trị cực đại của gia tốc piston ứng với ĐCT Đặc tính thay đổi gia tốcpiston tại vùng ĐCD phụ thuộc vào giá trị b, nếu b < 0,25, thì Jp có một cựctiểu tại ĐCD, nếu b > 0,25 sẽ có hai cực tiểu tại vùng ĐCD

ta sẽ đưa nó vào các hệ số ảnh hưởng và tính hiệu suất cơ giới Nội dung dướiđây trình bày hai lực chủ yếu tác dụng lên các chi tiết chính của động cơ, mộttrong các chi tiết đó là cổ biên Kết cấu động cơ và sơ đồ hệ lực tác dụng lên cơcấu biên khuỷu trình bày trên hình 2.4

cụm piston là di chuyển nên lực vô hướng của khí cháy được biến thành lực cóhướng thông qua nhóm piston Vì thế lực khí thể có điểm đặt quy ước tại tâmchốt piston, có phương trùng với đường tâm ống lót xi lanh, có chiều tác dụnglên bề mặt đỉnh piston và có giá trị, kG:

4

.

2

D p

Với D là đường kính xilanh, cm2

pkt : là áp suất dư của khí thể trong xilanh, kG/cm2 Ta có :p kt p p0

p : là áp suất khí trong xilanh, kG/cm2

- Trong quá trình hoạt động cơ cấu biên khuỷu chịu tác dụng của lực quántính gồm :

Lực quán tính của khối lượng tương đối tham gia chuyển động tịnh tiến

Khi lượng nhiên liệu cấp cho chu trình không đổi, thì quan hệ giữa Pkt và

PJ phụ thuộc vào vòng quay động cơ, vòng quay càng lớn thì PJ càng lớn

Đặt lực Pt tại tâm chốt piston và phân nó thành hai thành phần: P t NP b

(xem hình 2.4)

- Thành phần lực thứ nhất N gọi là lực đẩy ngang, có điểm đặt tại tâmchốt piston, có phương vuông góc với đường tâm xi lanh, có hướng phụ thuộcvào góc quay trục khuỷu và có trị số:

Trong quá trình động cơ hoạt động lực đẩy ngang N gây nên va đập giữapiston với thành ống lót xi lanh, lực đẩy ngang N là một trong các yếu tố dùng

để xác định chiều dài phần dẫn hướng piston

- Thành phần lực thứ hai P b có điểm đặt tại tâm chốt piston, có phươngtrùng với đường tâm biên, có hướng phụ thuộc góc quay trục khuỷu và có trị số:

Pb = Pt/cos, (2.3.6)Thành phần P b tác dụng lên thân biên và chuyển lực P b đến tâm cổ biên

và phân thành hai thành phần P b TZ:

- Thành phần lực tiếp tuyến T có điểm đặt tại tâm cổ biên, có phương tiếptuyến với bán kính quay khuỷu trục, có hướng phụ thuộc vào góc quay trụckhuỷu và có giá trị:

Cặp lực T, T1 tạo nên mô men quay Mq truyền cho trục khuỷu, có trị số:

Mq - mô men quay chỉ thị

Như vậy trong quá trình khai thác động cơ diesel cổ biên chịu tác dụngcủa lực tiếp tuyến T, lực pháp tuyến Z và lực quán tính của khối lượng tham giachuyển động quay Cả hai lực T, Z phụ thuộc vào tổng hợp lực khí thể, lực quántính, góc quay trục khuỷu và góc lệch biên Trong quá trình động cơ hoạt độngcác thông số này thay đổi theo chế độ làm việc của động cơ nên cả hai lực T, Zthay đổi theo Vì thế cần phải nghiên cứu qui luật thay đổi lực T, Z theo gócquay trục khuỷu để xác định tình trạng chịu lực của cổ biên

2.4 Các thông số phục vụ cho tính toán

2.4.1 Một số thông số cho trước

a) Thông số kết cấu của biên:  R l

- Thông số kết cấu: 1 15 4 

 , chọn 1

4

   thỏa mãn

R - bán kính quay của trục khuỷu (m); L - chiều dài biên (m)

ω - Vận tốc góc trung bình của trục khuỷu: . ( / )

30

n rad s

- Phần A (Mct): gồm cổ trục và một phần vật liệu liền kề, có khối lượngMct đặt tại tâm quay cổ trục;

- Phần B (Mcb): gồm cổ biên và một phần vật liệu liền kề, có khối lượngMcb đặt tại tâm cổ biên;

- Phần Cmk (Mmk): phần vật liệu má khuỷu nằm giữa cổ trục và cổ biên,khối lượng Mmk đặt tại tâm má khuỷu, cách tâm cổ trục một đoạn  Trong quátrình hoạt động Mmk tạo ra lực li tâm Để thuận tiện tính toán Mmk được qui vềtâm cổ biên, gọi là khối lượng qui dẫn má khuỷ Mmqd Theo phương trình cânbằng lực li tâm đối với cổ trục ta có: Mmk2 = Mmqdr2, nên Mmqd = Mmk/r

Từ đó xác định được khối lượng quay không cân bằng của khuỷu trục:

- Khối lượng phần đầu to biên Mdt được qui dẫn về tâm cổ biên và thamgia chuyển động quay cùng nhóm cổ biên Mk.

Mb - khối lượng toàn bộ biên, kg;

Mdt - khối lượng tập trung vào đầu nhỏ biên, kg;

Mdn - khối lượng tập trung vào đầu to biên, kg;

Để thuận tiện cho tính toán, cần phải đơn giản hoá, tuy nhiên việc đơngiản hoá gây ra sai số không lớn Đối với động cơ đốt trong phần khối lượng tậptrung tại đầu to và đầu nhỏ biên được chọn theo công thức kinh nghiệm sau:

Mdn = (0,2  0,3) Mb; Mdt = (0,7  0,8) MbĐối với động cơ diesel tàu thuỷ thường chọn:

Động cơ thấp tốc : Mdn  0,4 Mb; Mdt  0,6 Mb

Động cơ cao tốc : Mdn  0,3 Mb; Mdt  0,7 Mb

Khối lượng biên được chia ra tập trung tại hai điểm tính toán của mô hình:

- Khối lượng tham gia chuyển động tịnh tiến tập trung tại tâm chốt piston:

D – đường kính piston, dm,

Hệ số K1, K2 phụ thuộc loại vật liệu chế tạo piston, biên tra bảng 1

Bảng 1: Hệ số K 1 , K 2 với piston và biên vật liệu khác nhau

Hệ số K1 (kG/dm3) với piston Hệ số K2 (kG/dm3) với biên

g = 9,81m/s2 – gia tốc trọng trường.

Giá trị khối lượng tương đối tham gia chuyển động tịnh tiến và tham giachuyển động quay của các loại động cơ diesel nằm trong giới hạn trình bàytrong bảng 2

Bảng 2: Khối lượng tương đối m tt , m qk với các loại động cơ khác nhau

Loại động cơ Khối lượng tương đối (kg/cm2)

Động cơ trung tốc 0,02 ÷ 0,04 0,015 ÷ 0,025Động cơ cao tốc piston:

bằng gang

bằng hợp kim nhôm

0,01 ÷ 0,030,001 ÷ 0,002

0,003 ÷ 0,01

Như vậy, với các công thức trình bày trong chương 2 có đủ cơ sở tính lựctác dụng lên các chi tiết chủ yếu của động cơ, trong đó có cặp bạc – cổ biên

Chương 3 TÍNH LỰC TÁC DỤNG LÊN CỔ BIÊN TRONG QUÁ TRÌNH

KHAI THÁC ĐỘNG CƠ ĐỐI VỚI ĐỘNG CƠ 6NVD36-U

Từ kết quả trình bày trong chương 1, chương 2 và áp dụng sơ đồ khốicũng như chương trình tính đã có có thể tính chu trình công tác cũng như hệ lựctác dụng lên các chi tiết chủ yếu của động cơ nói chung và cổ biên nói riêng ứngvới các chế độ khai thác đối với một động cơ cụ thể Nội dung trong chương 3trình bày cách tính và kết quả tính đối với động cơ 6NVD36-U

3.1 Các thông số kết cấu và thông số kỹ thuật động cơ 6NVD36-U

Động cơ 6NVD36-U là động cơ diesel do hãng SKL chế tạo, là loại động

cơ 4 kì, có 6 xilanh, hành trình piston 36 cm, đường kính piston 20 cm, tự đảochiều dùng làm động cơ chính tàu thủy Các thông số kinh tế kỹ thuật chủ yếucủa động cơ 6NVD36-U trình bày trên bảng 3.1

Bảng 3.1: Một số thông số chủ yếu của động cơ 6NVD36-U