3.1.2. Giới thiệu sơ bộ về kết cấu ống lót xi lanh của động cơ 6 Ч 12/14
Ong lót xi lanh động cơ 6Ч 12/14 là loại ống lót xi lanh ướt có vai tựa trên, được chế tạo bằng gang. Mặt trong ống lót (mặt gương xi lanh) được gia cơng chính xác, mài nhẵn, được nhiệt luyện để tạo độ cứng cần thiết. Ong lót có hai đai để định tâm khi lắp ghép. Trên bề mặt đai định tâm phía dưới có xẻ hai rãnh vịng để lắp gioăng làm kín nước. Kiểu ống lót này khó làm mát đầy đủ ở vùng tiếp xúc với nhiệt độ và áp suất cao của khí thể do có vai tựa và gờ định tâm phía trên. Hình dáng và kết cấu của ống lót xi lanh động cơ 6Ч 12/14 được cho trên Hình 3.2.
Hình 3.2. Hình dáng và kết cấu của ống lót xi lanh động cơ 6Ч 12/14
3.1.3. Đặc điểm kết cấu của p ít tơng động cơ 6 Ч 12/14
Pít tơng của động cơ 6Ч 12/14 được chế bằng hợp kim nhôm rèn AK4, gồm phần đầu pít tơng với đỉnh có kht lỗ để tránh va đập với đế xu páp. Trên đỉnh pít tông cũng được khoét để cùng nắp máy tạo thành buồng cháy kiểu xốy lốc. Đầu pít tơng được xẻ các rãnh lắp xéc măng, có 3 rãnh xéc măng khí và 1 rãnh xéc măng dầu. Thân pít tơng được kht bệ đỡ chốt pít tơng, hai bên thân gần bệ chốt pít tơng có kht các rãnh nhằm giảm trọng lượng và tránh giãn nở q lớn gây bó kẹt.
Hình 3.3. Hình dáng và kết cấu của pít tơng động cơ 6Ч 12/14 3.2. Xây dựng mơ hình tính tốn cặp pít tơng - xi lanh động cơ 6Ч 12/14
Mơ hình tính tốn của cặp pít tơng - xi lanh động cơ 6Ч 12/14 được được xây dựng để tính tốn cho các bài tốn sau:
- Tính sự tương tác của cặp pít tơng - xi lanh. Trong bài tốn này cần tính chuyển động ngang của pít tơng trong khe hở giữa pít tơng với xi lanh và chuyển động xoay của pít tơng trong khe hở đó, các chuyển động này gọi chung là chuyển động phụ của pít tơng. Bên cạnh đó là tính lực va đập của pít tơng lên thành xi lanh dưới tác dụng của lực ngang N và vận tốc ban đầu v0. Mơ hình tốn học của bài tốn này được trình bày trong phần 2.2. Khi tính toán ta giả thiết bỏ qua lực ma sát của xéc măng trong rãnh xéc măng Pmx và mơ men ma sát của chốt pít tơng Mmc. Mơ hình hình học của cặp pít tơng - xi lanh sử dụng mơ hình trên Hình 2.1 và Hình 2.2. Vị trí tính tốn chuyển động phụ của pít tơng là tại ba mặt cắt 1, 2, 3. Vị trí tính tốn lực va đập tại mặt cắt 2. Khi tính lực va đập chỉ tính cho ba trường hợp đại diện là vận tốc chuyển động ngang lớn nhất vmax, lực ngang lớn nhất Nmax và khi v và N đều lớn.
- Tính ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương tác của cặp pít tơng - xi lanh. Trong bài toán này mục đích cuối cùng là tìm được khe hở nhiệt của cặp pít tơng - xi lanh ở các chế độ công tác khác nhau. Đối với động cơ 6Ч 12/14 lai máy phát điện đó là các chế độ (20, 40, 60, 80, 100)% tải v.v... Sở dĩ chọn các chế độ tính tốn này do điều kiện thực nghiệm chỉ đo được nhiệt độ ống lót xi
lanh ở các chế độ (20, 40, 60)% tải, nên lựa chọn chế độ tính tốn tương ứng để kiểm định mơ hình tính trường nhiệt độ của ống lót. Để xác định được khe hở nhiệt cần phải tính tốn trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt của cặp pít tơng - xi lanh. Mơ hình tốn của việc tính tốn trường nhiệt độ và biến dạng nhiệt cũng như tính khe hở nhiệt đã được trình bày trong phần 2.3. Mơ hình hình học để tính trường nhiệt độ và biến dạng nhiệt của cặp pít tơng - xi lanh như Hình 2.3 và Hình 2.4.
Việc xác định các vùng và tính tốn điều kiện biên tính tốn trường nhiệt độ được trình bày trong mục 3.3.1.
3.3. Xác định trường nhiệt độ và khe hở nhiệt của cặp pít tơng - xi lanh động cơ 6H 12/14 động cơ 6H 12/14
3.3.1. Tính tốn điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho bài toán xác định trường nhiệt độ trường nhiệt độ
3.3.Ỉ.Ỉ. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho bài toán xác định trường nhiệt độ của ống lót xi lanh
Các giả thiết tính tốn cho bài tốn xác định trường nhiệt độ của ống lót xi lanh đã được trình bày trong phần 2.3.4.
a. Điều kiện biên hình học
Do tỉ số đường kính ngồi và đường kính trong của ống lót xi lanh = 140 = 1,17 < 2 nên theo mục 2.3.4 coi đây là bài tốn là truyền nhiệt qua vách phẳng và q trình truyền nhiệt cho thành ống lót xi lanh chỉ diễn ra theo phương hướng kính.
b. Điều kiện biên vật lí
Vật liệu chế tạo ống lót xi lanh động cơ 6^12/14 là gang xám CT24-44 (GX24-22), các đặc tính của vật liệu chế tạo ống lót xi lanh như Bảng 3.1.
Bảng 3.1. Đặc tính vật liệu của gang hợp kim chế tạo ống lót CT24-44 [31]
TT Các đặc tính vât liệu Các giá trị tương ứng
1 Nhiệt độ, [K] 273 373 473 573 673
2 Mô đun đàn hồi,. 103[N/mm2] 92,8 90,76 86,87 81,66 72,99 3 Hệ số giãn nở nhiệt, .10-6 [K-1] 10,8 12 12 12 12 4 Hệ số dẫn nhiệt, .10-3[W/mm.K] 43,12 42,44 41,78 41,02 40,35
5 Khối lượng riêng, [kg/m3] 7200
6 Nhiệt dung riêng, [J/kg.K] 510
7 Hệ số Poisson 0,29
Vật liệu chế tạo khối thân xi lanh động cơ 6^12/14 là gang xám CT18-36 có các đặc tính như Bảng 3.2.
Bảng 3.2. Đặc tính vật liệu của gang hợp kim chế tạo thân máy C T18-36 [31]
TT Các đặc tính vât liệu Các giá trị tương ứng
1 Nhiệt độ, [K] 273 373 473 573 673
2 Mô đun đàn hồi,. 103[N/mm2] 92,8 90,76 86,87 81,66 72,99 3 Hệ số giãn nở nhiệt, .10-6 [K-1] 10,8 12 12 12 12
4 Hệ số dẫn nhiệt, .10-3[W/mm.K] 45 44 43 41 40
5 Khối lượng riêng, [kg/m3] 7200
6 Nhiệt dung riêng, [J/kg.K] 510
7 Hệ số Poisson 0,29
1----------LT-------------------------------------------
c. Điêu kiện biên thời gian
Đối với động cơ diesel lai máy phát điện trên tàu thủy, việc tính tốn trạng thái nhiệt, trạng thái ứng suất và biến dạng thường được khảo sát ở chế độ tải 100% tương ứng với số vịng quay định mức. Ngồi ra có thể khảo sát ở các chế độ 10%, 20%, 40% tải v.v...
d. Điều kiện biên trao đổi nhiệt tiếp xúc
* Điều kiện biên trao đổi nhiệt giữa bề mặt gương xi lanh với hỗn hợp khỉ cháy trong buồng cháy
Quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt gương xi lanh với hỗn hợp khí cháy trong buồng cháy bao gồm trao đổi nhiệt đối lưu và trao đổi nhiệt bức xạ. Lượng nhiệt trao đổi thông qua bức xạ nhiệt của khí cháy và của ngọn lửa phụ thuộc vào mật độ, áp suất riêng phần của khí cháy, trạng thái khí. Theo giáo sư Diachencơ thì lượng nhiệt bức xạ chỉ chiếm khoảng 3^5% của toàn bộ lượng nhiệt trao đổi. Do đó khi tính tốn ta xét đến trao đổi nhiệt bức xạ thông qua phần bổ sung của hệ số toả nhiệt đối lưu.
Quá trình trao đổi nhiệt của xi lanh với môi chất công tác được đặc trưng bằng hệ số trao đổi nhiệt tổng cộng aỵ (quá trình đối lưu và bức xạ), nhiệt độ của môi chất Tỵ và dòng nhiệt qỵ. Do Tỵ và vận tốc xốy lốc của mơi chất cũng như áp suất trong thể tích cơng tác ln ln thay đổi nên các đại
lượng biến thiên có tính chất chu kỳ. Nếu như áp suất được coi là đồng đều theo các vị trí tại cùng mỗi thời điểm thì ngược lại ax, Tx và qx lại không đồng đều tại cùng mỗi thời điểm mà phụ thuộc rất nhiều vào vị trí. Để đơn giản hố, người ta coi quá trình trao đổi nhiệt là quá trình tựa tĩnh, ax, Tx và qx nhận một giá trị trung bình tương đương nhất định nào đó, sao cho tổng lượng nhiệt mà môi chất truyền cho xi lanh tương đương với tổng lượng nhiệt mà bề mặt gương xi lanh nhận được trong một chu trình cơng tác tại mỗi chế độ làm việc ổn định của động cơ mà ta cần tính tốn. Hiện nay chưa có các cơng thức tốn học chính xác để xác định ax, Tx và qx theo thời gian và theo tọa độ vị trí. Nhiệt độ mơi chất được xác định thơng qua kết quả tính tốn chu trình cơng tác và được coi là khơng phụ thuộc vào vị trí.
Để xác định các điều kiện biên về hệ số trao đổi nhiệt làm thông số đầu vào khi tính tốn trường nhiệt độ bằng phần mềm ANSYS ta chia các bề mặt trao đổi nhiệt của ống lót xi lanh thành các vùng như trên Hình 3.4. Các vùng từ 1^9 là của mặt gương ống lót xi lanh. Các vùng này được chia dựa trên cơ sở tính tốn chu trình cơng tác của động cơ và vị trí các vùng của pít tơng khi ở điểm chết dưới. Các vùng từ 10^14 là các bề mặt bên ngồi của ống lót.
Hình 3.4. Sơ đồ các vùng trao đổi nhiệt của ống lót xi lanh động cơ 6Ч 12/14
Giá trị hệ số trao đổi nhiệt tức thời có thể tính theo cơng thức Woschni (197S), [11]:
0,Б
(3.1)
trong đó:
Cl = 2,2S + 0,30S.cu/cm đối với quá trình cháy giãn nở; Cl = 6,1S0 + 0,4l7.cu/cm, đối với q trình trao đổi khí; C2 = 0,00324 đối với động cơ phun trực tiếp;
C2 = 0,00622 đối với động cơ phun gián tiếp; D - đường kính xi lanh, [m];
cm - tốc độ trung bình của pít tơng, [m/s];
cu - tốc độ tiếp tuyến; (cu = n.D.nd/60 trong đó nd - tốc độ xốy của mơi chất, nd = S,5n)
Vd - thể tích cơng tác của 1 xi lanh, [m]; pc - áp suất môi chất trong xi lanh, [Pa]; pc,0 - áp suất khí trời, [Pa];
Tc 1 - nhiệt độ môi chất trong xilanh tại thời điểm đóng xupáp nạp, [K]; pc 1 - áp suất mơi chất trong xilanh tại thời điểm đóng xupáp nạp, [Pa]. Hệ số trao đổi nhiệt trung bình và nhiệt độ trung bình cho tồn bộ quá trình được xác định như sau [11], [3S]:
ф - Góc quay trục khuỷu, [độ];
a g (фф) - hệ số trao đổi nhiệt bề mặt theo góc quay trục khuỷu;
ã - hệ số trao đổi nhiệt tổng trung bình trên đỉnh pít tơng, tính theo [17]; T - nhiệt tổng trung bình trên đỉnh pít tơng, tính theo [17];
т- hệ số kì, bằng 2 với động cơ 2 kì, bằng 4 với động cơ 4 kì.
Y пт a = „ í a (ф)dф , [W/m2K] пт 0 (3.2) т = —V í a g (ф)т(Ф)dФ , [K] Т Г Т Г / J пт (3.3) n a 0 trong đó:
Với bài toán cụ thể khi tính tốn trường nhiệt độ xi lanh động cơ 6Ч 12/14 ta sẽ tính tốn với xi lanh thứ nhất.
Vùng 1 là vùng buồng cháy, vùng này theo [10] có a xll = a ; Txll = T .
Để đặt tải lên mơ hình được chính xác ta chia bề mặt thể tích cơng tác của xi lanh động cơ ứng với q trình pít tông chuyển động từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới trong hành trình cháy giãn nở thành 5 vùng, các hành trình tiếp theo sẽ lặp lại tại các vị trí đó.
Để xác định phần diện tích ống lót xi lanh tiếp xúc trực tiếp với môi chất công tác theo thời gian, cần xác định chuyển vị của pít tơng theo góc quay trục khuỷu. Chuyển vị của pít tơng được xác định từ cơng thức (2.1). Cơ sở xác định các khoảng chia này dựa vào đặc tính nhiệt độ trong xi lanh trong chu trình cháy giãn nở, kết hợp với góc quay trục khuỷu tương ứng với hành trình pít tơng.
- Vùng 2: Từ khi pít tơng ở điểm chết trên ф = 3600, S = 0 mm đến khi ф = 3SS0, S = 14 mm. Ta có hệ số trao đổi nhiệt a z l và nhiệt độ Tzl.
- Vùng 3: Từ khi ф = 3SS0, S = 14 mm đến khi ф = 4270, S = 43 mm. Ta có hệ số trao đổi nhiệt az2 và nhiệt độ Tz2.
- Vùng 4: Từ khi ф = 4270, S = 43 mm đến khi ф = 4610, S = 76 mm. Ta có hệ số trao đổi nhiệt az3 và nhiệt độ Tz3.
- Vùng 5: Từ khi ф = 4610, S = 76 mm đến khi ф = 4950, S = 109 mm. Ta có hệ số trao đổi nhiệt az4 và nhiệt độ Tz4.
- Vùng 6: Từ khi ф = 4950, S = 109 mm đến khi pít tơng ở điểm chết dưới ф = 5400, S = 140 mm. Ta có hệ số trao đổi nhiệt azs và nhiệt độ Tz5.
Từ đó ta có cơng thức xác định hệ số trao đổi nhiệt và nhiệt độ tại các vùng như sau:
a xl 3 a 12 T = T = Txl 3 TS2 586 1 ị f 293 653 — I j a . d p + j a .d p 86 V 0 360 293 653 I j a .T .d p + j a . T . d p V 0 360 586.a (3.5) T = T -L ..1 A xl 4 -L \S3 T = Txl 5 S 4 ị i 259 619 > — I j a . d p + j a . d p 18 V 0 360 y 259 619 —— I j a .T .d p + j a .T .d p 8 aS3 V 0 360 y ị i 214 574 > = I j a d p + j a . d p 428 V 0 360 y 214 574 — —---- 1 [ a .T .d p + [ a . T . d p 4 2 8a 4 V 0 j 360j ị i180 540 > j a . d p + j a . d p 360 ' (3.6) (3.7) a xl6 = a S5 = — j a d p + j a d p 360 V 0 360 y ị i 180 540 Txl6 = TS5 =^T^---- I j a .T d p + j a .T d p 360 a S5 V 0 360 (3.8)
Hệ số trao đổi nhiệt giữa môi chất công tác với bề mặt gương xi lanh, nhiệt độ và áp suất của hỗn hợp môi chất trong buồng đốt theo góc quay trục khuỷu được xác định khi tính tốn chu trình cơng tác bằng phần mềm Diesel-RK. Sơ đồ tính tốn như Hình 3.5, kết quả tính tốn được trình bày trong Phụ lục 1.
Mơ hình gồm các phần tử:
- Inlet - biến đầu vào, mơ tả các thuộc tính của dịng khí nạp vào động cơ như nhiệt độ, áp suất, tổn thất áp suất trên đường nạp,...
- Turbocompressor: khai báo các thông số làm việc của bộ tua bin - máy nén như: tỷ số tăng áp, các thơng số hình học của tua bin và máy nén, ...
- Inlet Valves, Exhaust Valves: khai báo các thơng số đặc trưng cho q trình trao đổi khí như kích thước đường ống nạp, ống thải, góc mở sớm, đóng muộn xu páp nạp, xu páp t h ả i ,.
E x h a u s t V a l v e s
C y li n d e r s a n d p is t o n s R - K m o d e l
Hình 3.5. Mơ hình tính tốn chu trình động cơ 6H 12/14 bằng Diesel-RK - Fuel: khai báo các thông số về nhiên liệu như thành phần H, C, O, độ nhớt động học, nhiệt trị, khối lượng riêng, ...
- Fuel Injection System and Combustion Chamber: khai báo các thông số của hệ thống nhiên liệu như quy luật phun, áp suất phun, số vịi phun, bố trí vịi phun.. .và các thơng số của buồng cháy.
- Cylinders and pistons: khai báo các thơng số liên quan đến kích thước xi lanh, tỷ số nén, đường kính pít tơng, tốc độ định mức, số xéc măng, ...
- RK- model: khai các thơng số của mơ hình RK.
Để tính tốn các chế độ tải khác nhau ta thay đổi lượng cấp nhiên liệu tương ứng. Chế độ tính tốn gồm có 20, 40, 60, 80, 100% tải, các chế độ tính tốn này có cơng suất trùng với với chế độ cơng suất có ích của động cơ thực đo được tại Nhà máy X46 Hải quân.
* Điều kiện biên trao đổi nhiệt giữa bề mặt gương xi lanh và p ít tơng
Vùng 7, 8, 9 là vùng trao đổi nhiệt giữa bề mặt gương xi lanh và pít