Nghiên cứu xây dựng phương pháp hiệu chỉnh hợp lý sự làm việc của hệ thống phân phối khí và nhiên liệu động cơ diesel tàu thủy

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu xây dựng phương pháp hiệu chỉnh hợp lý làm việc hệ thống phân phối khí nhiên liệu động Diesel tàu thủy” cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan thơng tin trích dẫn luận văn đƣợc ghi rõ nguồn gốc Hải Phòng, ngày 15 tháng 09 năm 2015 Tác giả LÊ VĂN THỨC i LỜI CÁM ƠN Sau thời gian học tập nghiên cứu Viện Đào tạo Sau Đại học – Trƣờng Đại học Hàng Hải Việt Nam, đến luận văn Thạc sỹ kỹ thuật chuyên ngành Khai thác bảo trì tàu thủy tơi hồn thành Tơi xin trân trọng gửi lời cảm ơn chân thành đến: - Trƣờng Đại học Hàng Hàng Việt Nam - Ban lãnh đạo, thầy cô giáo Viện Đào tạo Sau Đại học – Trƣờng Đại học Hàng Hải Việt Nam tạo điều kiện giúp đỡ trình học tập thực luận văn - Thầy giáo TS Nguyễn Văn Tuấn, ngƣời tận tình hƣớng dẫn giúp đỡ tơi suốt trình thực đề tài Do kiến thức hạn chế phải đảm bảo cơng tác trình thực hiên luận văn, nguồn tài liệu tham khảo chƣa phong phú nên luận văn tránh khỏi thiếu sót Tơi mong nhận đƣợc nhiều ý kiến đóng góp q báu Thầy Cơ giáo, nhà khoa học bạn đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn! ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CÁM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH iv MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ VÀ HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG TRỤC CAM CHO ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY 1.1 Đặc điểm cấu phân phối khí sử dụng trục cam động diesel tàu thủy 1.2 Đặc điểm hệ thống nhiên liệu sử dụng trục cam động diesel tàu thủy 22 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CAM VÀ MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM THỰC TẾ LIÊN QUAN 43 2.1 Lý thuyết cam 43 2.2.Đặc điểm số định nghĩa 44 CHƢƠNG : PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ CAM TRONG THỰC TẾ 3.1 Phƣơng pháp xác định thông số cam TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined iii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình 1.1 Tên hình Sơ đồ ngun lý làm việc cấu phân phối khí điển Trang hình sử dụng cho động diesel bốn kỳ 1.2 pha phân phối khí động kì 11 1.3 đồ thị pha phân phối khí động kì 12 1.4 chi tết nhóm xupap 13 1.5 xupap hộp 14 1.6 Phân bố nhiệt cán xupap 16 1.7 Cơ cấu xoay xupap 17 1.8 Cơ cấu truyền động xupap 21 1.9 Cơ cấu truyền động cho trục cam 22 1.10 Cơ cấu đóng mở xupap thủy lực 23 1.11 Hệ thống nhiên liệu trực tiếp 27 1.12 Đồ thị góc cấp nhiên liệu 29 1.13 BCA kiểu van điều chỉnh thời điểm đầu 32 1.14 BCA kiểu van điều chỉnh thời điểm cuối 1.15 BCA kiểu van điều chỉnh hỗn hợp 1.16 Piston BCA kiểu rãnh xéo (BOS 1.17 BCA kiểu rãnh xéo 1.18 Nguyên lý làm việc BCA kiểu Piston rãnh xéo 1.19 Kết cấu vòi phun 1.20 Kết cấu loại đầu vòi phun 1.21 Kết cấu van chiều có vành giảm tải 2.1 Trục cam với cam phân phối khí 2.2 Trục cam nhiên liệu 2.3 Thông số cam 3.1 Đồng hồ so dò iv 3.2 Số liệu đo độ nâng cam 3.3 Bảng số liệu xác định khe hở nhiệt xupap 3.4 Sứt vỡ vấu cam v MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Nghiên cứu đặc điểm kết cấu hệ thống phân phối khí nhiên liệu, xác định xác góc đóng mở xupap khí góc phun sớm nhiên liệu qua ta biết đƣợc q trình cấp khơng khí nhƣ nhiên liệu vào động có thời điểm hay khơng đồng thời điều chỉnh thông số cho phù hợp với tải nhƣ tình trạng kĩ thuật động từ nâng cao chất lƣợng hòa trộn hỗn hợp khơng khí nhiên liệu, cải thiện q trình cháy hồn thiện chu trình cơng tác động đốt Đối với động diesel, chất lƣợng trình cháy chịu ảnh hƣởng nhiều yếu tố có chất lƣợng nhiên liệu, thời gian cháy trễ, thời điểm bắt đầu cháy, thời điểm kết thúc cháy, thời gian cháy, diễn biễn tốc độ tỏa nhiệt theo góc quay trục khuỷu, nhiệt tỏa chu trình cơng tác Điều kiện quan trọng đảm bảo chất lƣợng cháy nhiên liệu xi lanh động tạo nên hỗn hợp nhiên liệu khơng khí đồng Để đạt đƣợc điều đó, động Diesel tàu thủy yêu cầu đảm bảo phù hợp cân đối lƣợng khơng khí nạp, thời điểm cấp nhiên liệu, áp suất phun nhiên liệu, đƣờng kính lỗ phun, độ nhớt nhiên liệu, thể tích buồng đốt điều kiện khai thác Các thông số thiết bị nhiện liệu, kết cấu buồng cháy, cấu nạp, nhƣ vòng quay động đảm bảo chất lƣợng phun sƣơng hòa trộn hỗn hợp tốt đƣợc thiết kế ứng với chế độ định mức (vòng quay phụ tải định mức) Khi thay đổi chế độ làm việc động làm chất lƣợng phun sƣơng, hòa trộn hỗn hợp xấu ảnh hƣởng tới tính kinh tế, độ tin cậy tuổi thọ động Trong trình khai thác động chi tiết nhƣ cam khí, cam nhiên liệu bị mài mòn, trạng thái kỹ thuật xấu dẫn đến thời điểm đóng mở xupap nạp, xả nhƣ thời điểm cấp nhiên liệu sai khác dẫn đến lƣợng khơng khí nhƣ nhiên liệu bị sai khác làm ảnh hƣởng đến trình tạo hỗn hợp khí nhiên liệu nhƣ chất lƣợng cháy giảm, làm ảnh tới thơng số thị, có ích, ứng suất cơ, nhiệt động Do vậy, để biết đƣợc thời điểm cấp, xả khí cơng tác nhƣ thời điểm cấp nhiên liệu yếu tố đóng vai trò quan trọng ảnh hƣởng tới độ tin cậy, tính kinh tế tuổi thọ động Với lý trên, chọn đề tài “Nghiên cứu xây dựng phƣơng pháp hiệu chỉnh hợp lý làm việc hệ thống phân phối khí nhiên liệu động Diesel tàu thủy” Mục đích nghiên cứu Xây dựng phƣơng pháp hiệu chỉnh hợp lý làm việc hệ thống phân phối khí nhiên liệu động diesel tàu thủy Ngồi đề cập đến số hƣ hỏng đặc trƣng liên quan đến cam phƣơng án giải tốt Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu đề tài Đối tƣợng nghiên cứu đề tài hệ thống phân phối khí nhiên liệu động diesel máy tàu biển Việt Nam Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu dựa sở lý thuyết biên dạng cam qua xác định xác thời điểm trao đổi khí nhƣ cấp nhiên liệu động diesel Trên sở nghiên cứu lý thuyết đặc điểm kết cấu vào thực tế sửa chữa nhằm xác định xác góc đóng mở xupap, góc phun sớm nhiên liệu tàu biển Việt Nam Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Ý nghĩa khoa học Cung cấp kiến thức bản, khoa học đặc điểm kết cấu q trình cơng tác hệ thống phân phối khí, hệ thống nhiên liệu, mà chủ yếu cam động Ý nghĩa thực tiễn Trong thực tế khai thác kỹ thuật tàu biển, cam ( khí nhiên liệu) thƣờng gây sai lệch thời điểm phân phối ( đóng mở xupap phun nhiên liệu) nhƣng chƣa có phƣơng pháp chuẩn mực để xác định Đề tài dựa sở khoa học để xác định xác mức độ sai lệch này, giúp xác định xác nguyên nhân hƣ hỏng phƣơng pháp hiệu chỉnh hợp lý Ngoài ra, nội dung đề tài dùng làm tài liệu học tập, nghiên cứu vận hành khai thác động diesel tàu biển CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ VÀ HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG TRỤC CAM CHO ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY 1.1 Đặc điểm cấu phân phối khí sử dụng trục cam động diesel tàu thủy 1.1.1 Nhiệm cụ cấu phân phối khí Nhiệm vụ chủ yếu cấu phân phối khí điều khiển q trình nạp khí vào xi-lanh thải sản phẩm cháy khỏi xi-lanh Động diesel bốn kỳ sử dụng cấu phân phối khí có xupap Cơ cấu gồm có: trục phân phối khí, cấu truyền động, cam, cần đẩy, đội, đòn gánh, xupap hút xả Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc cấu phân phối khí điển hình sử dụng cho động diesel bốn kỳ Nguyên lý làm việc cấu nhƣ sau: trục cam (1) đƣợc dẫn động động thong qua cấu bánh răng, phần lồi cam tác dụng lên lăn đội (2) cần đẩy (3) lên tác động vào đòn gánh (5), đầu đòn gánh tác động vào cán xe xupap (9), xupap xuống, xupap bắt đầu mở lăn đội (2) không tiếp xúc với phần lồi cam Lúc lò xo (7) có tác dụng kéo xupap lên xupap đóng lại Khi động làm việc thời gian dài, nhiệt độ chi tiết động tăng, sựu giản nở nhiệt vật liệu làm kích thƣớc cán xupap, cần đẩy tăng, trƣờng hợp cán xupap đòn gánh khơng có khe hở động làm việc đòn gánh ln có xu hƣớng tỳ vào cán xupap xupap đóng khơng kín Do đó, tất động dung cấu dẫn động cho xupap khí phải có khe hở cán xupap đòn gánh, đòn gánh cần đẩy, khe hở gọi “khe hở nhiệt” Giá trị khe hở phụ thuộc vào vật liệu chế tạo cán xupap, cần đẩy, chế độ nhiệt xupap, khe hở nhiệt xupap xả thƣờng lớn xupap nạp xupap xả làm việc với khí xả nhiệt độ cao dẫn đến giãn nở nhiệt nhiều xupap nạp Tuy nhiên thực tế số động để đơn giản ngƣời ta cho phép khe hở nhiệt xupap nạp khe hở nhiệt xupap xả giá trị khe hở nhiệt nhà chế tạo quy định Nếu khe hở nhiệt nhỏ q xupap khơng đóng kín, chí khơng khởi động đƣợc động cơ, ngƣợc lại khe hở lớn động làm việc có tiếng gõ, thời gian mở xupap diện tích lƣu thong dòng khí qua xupap giảm ảnh hƣởng đến công suất hiệu suất động Pha phân phối khí thời điểm đóng, mở quy luật chuyển động xupap Hình 1.2 pha phân phối khí động kì Hình 1.2 miêu tả đồ thị tròn q trình trai đổi khí động diesel kỳ đồi thị cho ta thấy, thời điểm đóng xupap nạp để thực q trình nén khơng phải điển chết dƣới (ĐCD) mà muộn gọi góc đóng muộn nhằm mục đích lợi dụng qn tính dòng khơng khí nạp vào Cuối q trình dãn nở, xupap xả đƣợc mở sớm thời điểm ĐCD nhằm mục đích phân bố lƣợng cho thiết bị tận dụng nhiệt khí xả tăng cƣờng trình xả tự Cuối trình xả cƣỡng xupap khơng đóng thời điểm ĐCD mà muộn hay gọi góc đóng muộn nhằm lợi dụng qn tính dòng khí cháy khỏi buồng đốt Cũng nhằm mục đích đó, đồng thời để qt buồng đốt, xupap nạp mở sớm hơn, trƣớc ĐCT trƣớc xupap xả đóng Giai đoạn xupap nạp xả mở gọi giai đoạn trùng pha Động hai kỳ qt vòng khơng có xupap phân phối khí Trong trƣờng hợp này, chức cấu phân phối khí đƣợc thay cửa quét, xả chuyển động piston Pha quét thải động hai kỳ xupap đƣợc xác định chiều cao cửa quét, xả quy luật chuyển động piston Hình 1.3 đồ thị pha phân phối khí động kì Đối với động hai kỳ quét thẳng qua xupap, khí quét qua cửa quét than xilanh, khí xả qua xupap xả Cơ cấu đóng mở xupap xả đƣợc điều 10 51 52 ηn= B pa ps Áp suất môi chất xi lanh điểm a (hình 4.2) nhỏ áp suất khơng khí trƣớc xupáp nạp trị số tổn thất thủy lực pa pa = ps - pa (4.11) Để biểu diễn trị số tổn thất thủy lực dùng hệ số χ = pr/ps χ đƣợc xác định sở thực nghiệm:động bốn kỳ χ = 0,9 ÷ 0,95;- động hai kỳ χ = 0,95 ÷ 1,05 Trị số pa ps liên quan với Thay đổi ps làm thay đổi pa, cần phải xét đồng thời ảnh hƣởng thông số tới ηn Tổn thất thủy lực pa phụ thuộc vào hình dáng, tiết diện, độ nhám bề mặt cấu nạp, nhƣ tốc độ dòng khí chuyển động qua chúng Đối với động chế tạo, yếu tố chủ yếu ảnh hƣởng đến pa tốc độ l ƣu động dòng khí Dùng phƣơ ng trình Becluni để tính pa Để đơn giản cho việc tính ta giả thiết tốc độ ban đầu dòng khí trƣớc xupáp nạp khơng, đó: pa=ζ γ kn w , 2g w - Tốc độ lƣu động dòng khí qua xupáp nạp; (4.12) γkn - Trọng lƣợng riêng không khí trƣớc xupáp nạp; ζ - Hệ số sức cản đƣờng nạp Tốc độ dòng khí qua xupáp nạ p đƣợc xác đị nh thông qua l ƣợng khơng khí nạp vào thể tích làm việc xi lanh đơn vị thời gian Trị số lại phụ thuộc số chu trình đơn vị thời gian, tức phụ thuộc vòng quay, nên: pa ≈ k n (4.13) Đối với động hai kỳ, thời kỳ trao đổi khí cấu qt xả mở đồng thờ i, bình khơng khí tăng áp thông với đƣờng ống xả thông qua xi lanh Bởi tỷ số pr/ps định tốc độ nạp khí tổn thất thủy lực pa Các cơng trình nghiên cứu chứng minh thay đổi vòng quay trục khuỷu loại trừ ảnh hƣởng yếu tố khác (pr/ps , γr) thay đổi n khơng phải yếu tố quyế t định ảnh hƣởng đến η n Khi thay đổi vòng quay động n thay đổi hệ số nạp (hình 4.6) khơng vƣợt 7% động không tăng áp, 4% động tăng áp Điều đƣợc thí nghiệm động 3Ä6 góc trùng điệp khơng, pr/ps= const Sấy nóng khơng khí nạp Trong cơng thức (4.7), (4.9) thông số khác không đổi ηn phụ thuộc tỷ số Ts/Ta: ηn = CTs/Ta Ta phụ thuộc Ts ảnh hƣởng thơng số đến ηn cần xem xét đồng Nhiệt độ khơng khí trƣớc xupáp nạp phụ thuộc nhiệt độ khơng khí sau máy nén độ giảm nhiệt độ khơng khí bầu làm mát Tlm (hình 4.8) Ts = Tk - Tlm (4.14) Trị số Tk phụ thuộc nhiệt độ khơng khí trƣớc máy nén T0’, tỷ số tăng áp suất máy nén πk, số đoạn nhiệt k hiệu suất đoạn nhiệt ηdn máy nén k −1 ηdn = 0,55÷0,65 π k −1 máy nén thể tích loại rơto; , Tk = To ' + η dn ηdn = 0,75÷0,82 máy nén ly tâm k = 1,4 số đoạn nhiệt khơng khí; k 53 (4.15) 52 54 - Độ tăng nhiệt độ khơng khí nén máy nén Tk = Tk - To’; - Tổn thất thủy lực bầu làm mát plm= 5÷15 kPa Nhiệt độ khơng khí nạp xi lanh lúc bắt đầu nén đƣợc tính dựa sở cân nhiệt lƣợng khơng khí nạp vào xi lanh khí sót trƣớc, sau hòa trộn Giả thiết tỷ nhiệt khơng khí nạp, khí sót hỗn hợp khí nhau, sau đơn giản viết: L(Ts+ T ) + MrTr = (Mr + L) Ta , mà γr = Mr/L nên : T= Ts+ T +γ r Tr (4.16) a 1+γr Trong phƣơng trình T - độ tăng nhiệt độ khơng khí q trình nạp tiếp xúc với vách o xi lanh, T thay đổi giới hạn 5÷10 C Giới hạn thay đổi tỷ số Ts/Ta phụ thuộc chủ yếu vào độ sấy nóng khơng khí tiếp xúc với vách xi lanh, khối lƣợng nhiệt độ khí sót Nhiệt độ khí sót nằm khoảng Tr = 800÷1000K, giới hạn Tr động cƣờng hóa, quét Kết luận: - Hệ số nạp phụ thuộc hệ số khí sót, tổn thất áp suất cấu nạp mức độ sấy nóng khí nạp xi lanh Trong trƣờng hợp lý tƣởng (γr = 0, pa = ps, Ta = Ts) hệ số nạp động kỳ lớn ε η = n ε −1 - Thực tế hệ số nạp phụ thuộc yếu tố kết cấu, khai thác Hệ số khí sót thơng qua tỷ số pr/ps góc trùng điệp xupáp nạp, xả ảnh hƣởng lớn đến hệ số nạp Khi động phát công suất định mức hệ số nạp nằm giới hạn sau: + Động bốn kỳ: a- pr/ps>1 Δα = 10÷40 , ηn = 0,75÷0,9; b- pr/ps