Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Sự tương tác của cặp pit tông xi lanh trong động cơ diesel lai máy phát điện tàu thủy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN S ự

NGUYỄN LÊ VĂN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ TẢI
NHIỆT ĐẾN S ự TƯƠNG TÁC CỦA CẶP PÍT
•
•
•
TƠNG - XI LANH ĐỘNG CƠ DIESEL LAI
MÁY PHÁT ĐIỆN TÀU THỦY

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - NĂM 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN S ự

NGUYỄN LÊ VĂN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ TẢI
NHIỆT ĐẾN S ự TƯƠNG TÁC CỦA CẶP PÍT

•
•
•
TƠNG - XI LANH ĐỘNG CƠ DIESEL LAI
MÁY PHÁT ĐIỆN TÀU THỦY
Chuyên ngành:

Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số:

62 52 01 16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS, TS Đào Trọng Thắng
2. PGS, TS Lại Văn Định

HÀ NỘI - NĂM 2014


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi.
Các kết quả nghiên cứu và các kết luận nêu trong luận án là trung thực, khơng
sao chép từ bất kì một nguồn nào và dưới bất cứ hình thức nào. Việc tham
khảo các nguồn tài liệu đã được trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo

đúng quy định.

Tác giả luận án

Nguyễn Lê Văn


ii

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn các thầy hướng dẫn khoa học: PGS.TS
Lại Văn Định, PGS.TS Đào Trọng Thắng đã tận tình hướng dẫn về phương
pháp và nội dung nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận án. Nhân dịp này,
tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy PGS.TS Hà Quang Minh, PGS.TS
Vy Hữu Thành, PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ, TS Nguyễn Trung Kiên thuộc
Bộ môn Động cơ, Khoa Động lực, Học viện KTQS đã có rất nhiều ý kiến
đóng góp quý báu cho việc thực hiện luận án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Bộ mơn Động cơ, Khoa Động lực, Phịng
Sau đại học, Học viện KTQS; Cục Kỹ thuật Hải quân, Nhà máy X46 Hải
quân; các thầy, các nhà chuyên môn, các chuyên gia và các đồng nghiệp trong và
ngoài Học viện KTQS cùng những người thân trong gia đình, bạn bè đã thường
xuyên quan tâm, động viên, giúp đỡ nhiều mặt để tác giả hoàn thành luận án.


iii

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM Đ O A N ................................................................................................ i
LỜI CẢM Ơ N ......................................................................................................ii
MỤC LỤC...........................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT T Ắ T .................................. vi
DANH MỤC CÁC BẢNG...............................................................................viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ TH Ị........................................................... xi
MỞ ĐẦU.............................................................................................................. 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ SỰ TƯƠNG TÁC CỦA CẶP PÍT TƠNG - XI
LANH VÀ PHỤ TẢI NHIỆT ĐỘNG CƠ ....................................................4
1.1. Đặt vấn đề......................................................................................................4
1.2. Đặc điểm kết cấu và lắp ghép cặp pít tơng - xi lanh động cơ diesel
lai máy phát tàu thủy....................................................................................... 5
1.2.1. Đặc điểm kết cấu của pít tơng.................................................................. 5
1.2.2. Đặc điểm kết cấu của xi lanh................................................................... 6
1.2.3. Đặc điểm lắp ghép của cặp pít tơng - xi lanh.......................................... 8
1.3..Các mơ hình tương tá c .................................................................................9
1.3.1. Mơ hình khơng có khe hở và khơng có sự tương tác.............................. 9
1.3.2. Mơ hình có khe hở, khơng có sự tương tác........................................... 10
1.3.3. Mơ hình có khe hở, có tương tá c ........................................................... 15
1.4. Ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương tác của cặp pít tơng - xi lanh....25
1.4.1. Đặc điểm của quá trình trao đổi nhiệt ở động cơ đốt trong..................25
1.4.2. Trao đổi nhiệt giữa thành ống lót xi lanh và nước làm mát..................26
1.4.3. Ảnh hưởng của rung động ống lót xi lanh đến cường độ trao đổi nhiệt....26
1.4.4. Các chỉ tiêu đánh giá phụ tải nhiệt......................................................... 27
1.4.5. Ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến biến dạng và khe hở
giữa pít tơng và xi lan h ...............................................................................27
1.5..Lựa chọn mơ hình tính tốn.......................................................................28
Kết luận chương 1 ............................................................................................. 30
Chương 2. MƠ HÌNH KHẢO SÁT SỰ TƯƠNG TÁC CỦA CẶP PÍT TƠNG
- XI LANH KHI XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ TẢI NHIỆT...... 31

2.1. Đặt vấn đề....................................................................................................31


iv

2.2. Mơ hình tương tác của cặp pít tơng - xi lanh........................................... 31
2.2.1. Mơ hình xác định chuyển động phụ của pít tơng.................................. 32
2.2.2. Sự va đập giữa pít tơng và xi lanh.......................................................... 38
2.3. Mơ hình tính tốn trường nhiệt độ pít tơng và xi lanh............................. 42
2.3.1. Mơ hình hình họ c.................................................................................... 42
2.3.2. Mơ hình tốn h ọ c .................................................................................... 43
2.3.3. Các điều kiện biên của bài tốn tính trường nhiệt đ ộ ...........................45
2.3.4. Xác định trường nhiệt độ của pít tơng và xi lanh.................................. 48
2.3.5. Biến dạng nhiệt của cặp pít tơng và xi lanh.......................................... 50
2.3.6. Xác định khe hở nhiệt giữa pít tơng và xi lanh..................................... 51
2.4. Mơ hình nghiên cứu ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương tác
của cặp pít tơng - xi lanh............................................................................54
2.5. Lựa chọn phương pháp tính và phần mềm tính to án ............................... 55
2.5.1. Các phương pháp tính tốn trường nhiệt độ và lựa chọn
phương pháp tín h ........................................................................................ 55
2.5.2. Các phương pháp tính tốn tương tác của cặp pít tơng - xi lanh......... 59
Kết luận chương 2 ............................................................................................. 60
Chương 3. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ TẢI NHIỆT TỚI SỰ
TƯƠNG TÁC CỦA CẶP PÍT TƠNG - XI LANH ĐỘNG CƠ 6Ч 12/14 . 61
3.1. Đặc điểm kết cấu của cặp pít tông - xi lanh động cơ 6Ч 12/14.............. 61
3.1.1. Giới thiệu sơ bộ về động cơ 6Ч 12/14...................................................61
3.1.2. Giới thiệu sơ bộ về kết cấu ống lót xi lanh của động cơ 6Ч 12/14..... 62
3.1.3. Đặc điểm kết cấu của pít tơng động cơ 6Ч 12/14................................. 63
3.2. Xây dựng mơ hình tính tốn cặp pít tơng - xi lanh động cơ 6Ч 12/14 .... 64
3.3. Xác định trường nhiệt độ và khe hở nhiệt của cặp pít tơng - xi lanh

động cơ 6Ч 12/14........................................................................................ 65
3.3.1. Tính tốn điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho bài toán xác định
trường nhiệt độ............................................................................................ 65
3.3.2. Xác định trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt của
cặp pít tơng - xi lan h ................................................................................... 79
3.3.3. Xác định khe hở nhiệt của cặp pít tơng - xi lanh.................................. 83
3.4. Tính tốn sự tương tác của cặp pít tơng - xi lanh động cơ 6Ч 12/14...... 85
3.4.1. Xây dựng sơ đồ thuật tốn......................................................................85
3.4.2. Tính tốn sự tương tác của cặp pít tơng - xi lanh động cơ 6Ч 12/14
khi khơng có ảnh hưởng của phụ tải nhiệt........................................................ 88


v

3.4.3. Tính tốn sự tương tác của cặp pít tơng - xi lanh
khi có ảnh hưởng của phụ tải nhiệt................................................................ 91
3.5. Nhận xét, đánh giá kết quả.........................................................................94
Kết luận chương 3 ............................................................................................. 95
Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM..................................................96
4.1. Mục đích nghiên cứu.................................................................................. 96
4.2. Trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thử nghiệm........................................ 96
4.2.1. Nguyên lí và đặc tính kĩ thuật của thiết bị đo nhiệt đ ộ .........................96
4.2.2. Nguyên lí hiệu chỉnh thiết bị đo nhiệt độ.............................................103
4.2.3. Quy trình đo nhiệt độ cho thành ống lót xi lanh động c ơ ...................104
4.2.4. Trang thiết bị thử nghiệm......................................................................104
4.3. Đo nhiệt độ của thành ống lót xi lanh động cơ 6^ 12/14......................108
4.3.1. Lựa chọn các vị trí đo............................................................................108
4.3.2. Phương pháp lấy số liệu........................................................................109
4.3.3. Kết quả đ o ............................................................................................. 110
4.4. Xử lí số liệu thực nghiệm.........................................................................110

4.5. Đánh giá độ tin cậy của mơ hình tính.....................................................114
Kết luận chương 4 ........................................................................................... 117
KẾT LUẬN v À k iế n n g h ị .........................................................................118
DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ..............................................120
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................121
PHỤ LỤC.........................................................................................................126
Phụ lục 1. Kết quả tính nhiệt độ, áp suất, hệ số truyền nhiệt và lực ngang
của động cơ 6^12/14 bằng phần mềm Diesel - RK.................................. 127
Phụ lục 2. Hệ số trao đổi nhiệt và nhiệt độ tại các bề mặt tính tốn
của ống lót xi lanh và pít tơng động cơ 6^12/14..................................... 130
Phụ lục 3. Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt của ống lót xi lanh
và pít tơng động cơ 6^12/14 ở chế độ (80, 40, 20)% tả i..........................132
Phụ lục 4. Chương trình tính chuyển động phụ bằng Matlab.......................134
Phụ lục 5. Ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương tác của cặp pít tơng - xi
lanh động cơ 6^ 12/14 ở chế độ 80%, 40% và 20% phụ tả i....................137
Phụ lục 6. Nhiệt độ thực nghiệm của ống lót xi lanh.................................... 142
Phụ lục 7. Biên bản thử nghiệm và một số hình ảnh thử nghiệm
đo nhiệt độ ống lót xi lanh động cơ 6^ 12/14........................................... 145


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt:
ĐGD Điểm gốc dưới
ĐGT
Điểm gốc trên
GQTK Góc quay trục khuỷu
PTHH Phần tử hữu hạn
Kí hiệu :

a
Hệ số khuếch tán nhiệt
b
Hệ số ma sát ngoài (giảm chấn)
c
Nhiệt dung riêng của vật liệu
cp
Độ cứng của thân pít tơng
[Ce]
Ma trận nhiệt dung riêng tại phần tử
D
Đường kính xi lanh ở trạng thái nguội
[D]
Ma trận các hệ số dẫn nhiệt
{D}
Ma trận đàn hồi của vật liệu
dp
Đường kính pít tơng
E
Mơ đun đàn hồi của vật liệu
F
Diện tích bề mặt vật rắn
Fl
Diện tích tiết diện ngang của mặt cắt ống lót
G
Mơ đun đàn hồi trượt ngang của vật liệu
H
Khoảng cách từ trọng tâm đến đáy pít tơng
IO
Mơ men qn tính của hệ pít tơng đối với tâm của chốt

pít tơng
IO
1
Mơ men qn tính của hệ pít tơng đối với trọng tâm
jy
Gia tốc của pít tơng khi chuyển động tịnh tiến
k
Hệ số phục hồi
[Ke]
Ma trận dẫn nhiệt của phần tử
l
Chiều dài thanh truyền
m1
Khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu khuỷu
trục thanh truyền
Mk
Mô men lật của lực khí thể do pít tơng quay quanh trục
của chốt pít tơng
Mmc
Mơ men ma sát của chốt pít tơng
N
Lực ngang tác dụng vng góc với thành xi lanh
n
Tốc độ của động cơ
Nvd
Lực va đập của pít tơng lên ống lót xi lanh
Pj
Lực quán tính của các chi tiết tham gia chuyển động
tịnh tiến
pk

Áp suất khí thể

[J/kg.K]
[N.m2]
[m]

[m]
[Pa]
[m2]
[m2]
[Pa]
[m]
[kg.m2]
[kg.m2]
[m/s2]

[m]
[kg]

[N.m]
[N.m]
[N]
[v/ph]
[N]
[N]
[N/m2]


vii

Pk
Pmx
Ptt
Pe
q
Q1
Q2
Q3
Q4
R
Sy
T
t0
ts
V
v0
x
x0
y
a
ag
p
Y
Ă
s
{s}
{s^}
i
^1
^2

A
V
p
'm
T
9
X

Lực khí thể
Lực ma sát giữa xéc măng với rãnh
Lực tác dụng dọc theo đường tâm thanh truyền
Lực tổng hợp
Dòng nhiệt theo một hướng nhất định
Nhiệt lượng cấp cho hệ vật
Nhiệt lượng sản sinh trong lịng hệ vật
Nhiệt lượng thốt ra khỏi hệ vật
Sự thay đổi nội năng hệ vật
Bán kính quay của trục khuỷu
Chuyển vị của pít tơng khi chuyển động tịnh tiến
Nhiệt độ
Thời gian ban đầu
Thời gian dịch chuyển hết khe hở A
Thể tích của vật rắn
Vận tốc ban đầu khi va đập
Dịch chuyển theo phương ngang
Tọa độ của lực va đập
Khoảng cách đến trọng tâm
Hệ số trao đổi nhiệt
Hệ số trao đổi nhiệt bề mặt theo góc quay trục khuỷu
Góc nghiêng của đường tâm thanh truyền so với đường

tâm xi lanh
Góc quay của pít tơng quanh trọng tâm
Khe hở giữa pít tơng - xi lanh
Hiệu dịch chuyển của pít tơng và độ lệch ống lót xi
lanh
Véc tơ biến dạng tổng
Véc tơ biến dạng nhiệt
Hệ số kết cấu
Hệ số dẫn nhiệt của vật thứ nhất
Hệ số dẫn nhiệt của vật thứ hai
Hệ số giãn nở nhiệt
Hệ số Poisson
Khối lượng riêng của vật liệu
Véc tơ ứng suất
Hệ số kì
Góc quay trục khuỷu
Giá trị riêng
Vận tốc góc trục khuỷu

[N]
[N]
[N]
[N]
[J/m]
[J]
[J]
[J]
[J]
[m]
[m]

[K], [0C]
[s]
[s]
[m3]
[m/s]
[m]
[m]
[m]
[W/m2]
[W/m2.K]
[độ]
[độ]
[mm]

[W/m.K]
[W/m.K]
[k -1]
[kg/m3]

[độ]
[rad/s]


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Đặc tính vật liệu của gang hợp kim chế tạo ống lót CЧ24-44...... 65
Bảng 3.2. Đặc tính vật liệu của gang hợp kim chế tạo thân máy CЧ18-36 .... 66
Bảng 3.3. Đặc tính vật liệu của nhôm rèn A K 4...............................................76
Bảng 3.4. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu và nhiệt độ tại các bề mặt tính tốn

của ống lót xi lanh động cơ 6Ч12/14 ở chế độ 100% tải......................80
Bảng 3.5. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu và nhiệt độ tại các bề mặt tính tốn
của pít tơng động cơ 6Ч12/14 ở chế độ 100% tải................................. 80
Bảng 3.6. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu và nhiệt độ tại các bề mặt tính tốn
của ống lót xi lanh động cơ 6Ч12/14 ở chế độ 60% tải........................80
Bảng 3.7. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu và nhiệt độ tại các bề mặt tính tốn
của pít tông động cơ 6Ч12/14 ở chế độ 60% tải................................... 81
Bảng 3.8. Các thơng số của hệ pít tơng động cơ 6Ч 12/14
để tính chuyển động phụ.........................................................................87
Bảng 3.9. Giá trị ban đầu sử dụng tính lực va đập của pít tơng với xi lanh ở
chế độ 100% tải khơng có ảnh hưởng của phụ tải nhiệt.......................90
Bảng 3.10. Các thông số đầu vào dùng để tính lực va đập của pít tơng
với xi lanh ở chế độ 100% tả i................................................................ 92
Bảng 3.11. Các thơng số đầu vào dùng để tính lực va đập của pít tơng
với xi lanh ở chế độ 60% tả i.................................................................. 93
Bảng 3.12. So sánh ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến chuyển động phụ
của pít tơng động cơ 6Ч 12/14............................................................... 94
Bảng 3.13. So sánh ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến lực va đập của pít tơng
lên xi lanh động cơ 6Ч 12/14................................................................. 95
Bảng 4.1. Đặc tính của các loại cặp nhiệt......................................................102
Bảng 4.2. Các thông số môi trường thử nghiệm........................................... 110
Bảng 4.3. Nhiệt độ tại các điểm đo của ống lót xi lanh động cơ 6Ч 12/14 tại
chế độ 60% tải....................................................................................... 112
Bảng 4.4. Nhiệt độ trung bình tại các điểm đo của ống lót xi lanh
động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ không tả i..................................................113


ix

Bảng 4.5. Nhiệt độ trung bình tại các điểm đo của ống lót xi lanh động cơ

6 ^ 12/14 ở chế độ 20% tải................................................................... 113
Bảng 4.6. Nhiệt độ trung bình tại các điểm đo của ống lót xi lanh động cơ
6^ 12/14 ở chế độ 40% tải................................................................... 113
Bảng 4.7. Nhiệt độ trung bình tại các điểm đo của ống lót xi lanh động cơ
6^ 12/14 ở chế độ 60% tải................................................................... 114
Bảng 4.8. So sánh nhiệt độ tính tốn với nhiệt độ thực nghiệm của ống lót xi
lanh động cơ 6^ 12/14 tại đường kính 122 mm ở chế độ 20% tả i....114
Bảng 4.9. So sánh nhiệt độ tính tốn với nhiệt độ thực nghiệm của ống lót
xi lanh động cơ 6^ 12/14 tại đường kính 128 mm ở chế độ 20% tải . 115
Bảng 4.10. So sánh nhiệt độ tính tốn với nhiệt độ thực nghiệm của ống lót
xi lanh động cơ 6^ 12/14 tại đường kính 122 mm ở chế độ 40% tải . 115
Bảng 4.11. So sánh nhiệt độ tính tốn với nhiệt độ thực nghiệm của ống lót
xi lanh động cơ 6^ 12/14 tại đường kính 128 mm ở chế độ 40% tải . 115
Bảng 4.12. So sánh nhiệt độ tính tốn với nhiệt độ thực nghiệm của ống lót
xi lanh động cơ 6^ 12/14 tại đường kính 122 mm ở chế độ 60% tải . 116
Bảng 4.13. So sánh nhiệt độ tính tốn với nhiệt độ thực nghiệm của ống lót
xi lanh động cơ 6^ 12/14 tại đường kính 128 mm ở chế độ 60% tải . 116
Bảng Pl2.1. Hệ số trao đổi nhiệt và nhiệt độ tại các bề mặt tính tốn
của ống lót xi lanh động cơ 6^12/14 ở chế độ 80% tải......................130
Bảng Pl2.2. Hệ số trao đổi nhiệt và nhiệt độ tại các bề mặt tính tốn
của pít tơng động cơ 6^12/14 ở chế độ 80% tải................................. 130
Bảng Pl2.3. Hệ số trao đổi nhiệt và nhiệt độ tại các bề mặt tính tốn
của ống lót xi lanh động cơ 6^ 12/14 ở chế độ 40% tải......................130
Bảng Pl2.4. Hệ số trao đổi nhiệt và nhiệt độ tại các bề mặt tính tốn
của pít tơng động cơ 6^12/14 ở chế độ 40% tải................................. 131
Bảng Pl2.5. Hệ số trao đổi nhiệt và nhiệt độ tại các bề mặt tính tốn
của ống lót xi lanh động cơ 6^ 12/14 ở chế độ 20% tải......................131
Bảng Pl2.6. Hệ số trao đổi nhiệt và nhiệt độ tại các bề mặt tính tốn
của pít tơng động cơ 6^12/14 ở chế độ 20% tải................................. 131

x

Bảng Pl5.1. Giá trị góc quay trục khuỷu, vận tốc, lực ngang sử dụng
tính lực va đập của pít tơng với xi lanh ở chế độ 80% tả i..................139
Bảng Pl5.2. Giá trị góc quay trục khuỷu, vận tốc, lực ngang sử dụng
tính lực va đập của pít tơng với xi lanh ở chế độ 40% tả i..................139
Bảng Pl5.3. Giá trị góc quay trục khuỷu, vận tốc, lực ngang sử dụng
tính lực va đập của pít tơng với xi lanh ở chế độ 20% tả i..................139
Bảng Pl6.1 Nhiệt độ tại các điểm đo của ống lót xi lanh động cơ
6Ч 12/14 tại chế độ không tả i.............................................................. 142
Bảng Pl6.2. Nhiệt độ tại các điểm đo của ống lót xi lanh động cơ
6Ч 12/14 tại chế độ 20% tải................................................................. 143
Bảng Pl6.3. Nhiệt độ tại các điểm đo của ống lót xi lanh động cơ
6Ч 12/14 tại chế độ 40% tải................................................................. 144


xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình
Hình
Hình
Hình

1.1. Kết cấu của một pít tơng động cơ diesel lai máy phát tàu thủy....... 5
1.2. Lót xi lanh ướt..................................................................................... 7
1.4. Mơ hình khơng có khe hở và khơng tương tá c ............................... 10
1.5. Chuyển động của pít tơng trong xi lanh khi có khe hở
giữa pít tơng - xi lanh................................................................................11

Hình 1.6. Mơ hình của Cho S.H........................................................................15
Hình 1.7. Mơ hình của Ruggiero A.................................................................. 16
Hình 1.8. Mơ hình của Gerges S.N.Y...............................................................17
Hình 1.9. Mơ hình của Geng Z......................................................................... 19
Hình 1.10. Mơ hình xi lanh với hai dầm đứng cứng tuyệt đối........................20
Hình 1.11. Mơ hình thành xi lanh là hai dầm đàn hồi ngàm một đ ầu ........... 21
Hình 1.12. Lực tác dụng của pít tơng phân bố trên thành xi lanh và xi lanh
được rời rạc hóa bằng phần mềm Nastran...............................................21
Hình 1.13. Mơ hình tương tác của pít tơng với ống lót xi lanh khi va đập
của Nikishin V.N....................................................................................... 23
Hình 1.14. Mơ hình của Lê Trường Sơn......................................................... 24
Hình 2.1. Mơ hình hình học tính tốn va đập của pít tơng với xi lanh.......... 32
Hình 2.2. Sơ đồ lực tác dụng lên pít tơng khi chuyển động ngang................ 34
Hình 2.3. Mơ hình hình học của pít tơng động cơ 6Ч 12/14..........................43
Hình 2.4. Mơ hình hình học của ống lót xi lanh động cơ 6Ч 12/14.............. 43
Hình 2.3.
Hình 3.1.
Hình 3.2.
Hình 3.3.

Sơ đồ xác định khe hở nhiệt giữa pít tơng và xi lanh.....................52
Động cơ 6Ч 12/14 tăng áp lai máy phát điện................................... 62
Hình dáng và kết cấu của ống lót xi lanh động cơ 6Ч 12/14........ 63
Hình dáng và kết cấu của pít tơng động cơ 6Ч 12/14.....................64

Hình 3.4. Sơ đồ các vùng trao đổi nhiệt của ống lót xi lanh
động cơ 6Ч 12/14...................................................................................... 67
Hình 3.5. Mơ hình tính tốn chu trình động cơ 6Ч 12/14 bằng Diesel-RK .... 71
Hình 3.6. Mơ hình trao đổi nhiệt khu vực vai tựa trên ống lót xi lanh
động cơ 6Ч 12/14......................................................................................... 73

Hình 3.7. Bề mặt trao đổi nhiệt của pít tơng động cơ 6Ч 12/14.....................76


xii

Hình 3.8. Sơ đồ thuật tốn xác định trường nhiệt độ và biến dạng nhiệt...... 79
Hình 3.9. Mơ hình chia lưới phần tử hữu hạn cặp pít tơng - xi lanh
động cơ 6Ч 12/14...................................................................................... 81
Hình 3.10. Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt ống lót xi lanh
động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 100% tải....................................................... 82
Hình 3.11. Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt pít tơng
động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 100% tải....................................................... 82
Hình 3.12. Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt ống lót xi lanh
động cơ 6Ч12/14 ở chế độ 60% tải.......................................................... 82
Hình 3.13. Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt pít tơng
động cơ 6Ч12/14 ở chế độ 60% tải.......................................................... 83
Hình 3.14. Khe hở nhiệt của cặp pít tơng - xi lanh động cơ 6Ч 12/14
tại vị trí mặt cắt 1 ...................................................................................... 84
Hình 3.15. Khe hở nhiệt của cặp pít tơng - xi lanh động cơ 6Ч 12/14
tại vị trí mặt cắt 2 ...................................................................................... 84
Hình 3.16. Khe hở nhiệt của cặp pít tơng - xi lanh động cơ 6Ч 12/14
tại vị trí mặt cắt 3 ...................................................................................... 85
Hình 3.17. Sơ đồ thuật tốn tính tốn chuyển động phụ của
pít tơng động cơ 6Ч 12/14........................................................................86
Hình 3.18. Tọa độ trọng tâm và các khoảng cách y đến mặt cắt 1, 2, 3
của hệ pít tơng động cơ 6Ч 12/14............................................................ 87
Hình 3.19. Vận tốc chuyển động ngang của pít tơng trong khe hở xi lanh
tại mặt cắt 1 và 2 của động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 100% tải...................88
Hình 3.20. Vận tốc chuyển động ngang tại mặt cắt 3 của pít tơng
trong khe hở xi lanh của động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 100% tải............. 88

Hình 3.21. Mơ hình phần tử hữu hạn để tính tốn va đập của pít tơng
với xi lanh động cơ 6Ч 12/14................................................................... 89
Hình 3.22. Lực va đập của pít tơng lên xi lanh của động cơ 6Ч 12/14
ở chế độ 100% tải...................................................................................... 90
Hình 3.23. Chuyển động ngang tại mặt cắt 1, 2 của pít tơng
động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 100% tải....................................................... 91


xiii

Hình 3.24. Chuyển động ngang tại mặt cắt 3 và góc quay trong khe hở
của pít tơng động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 100% tải.................................. 91
Hình 3.25. Chuyển động ngang tại mặt cắt 1, 2 của pít tơng
động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 60% tải......................................................... 92
Hình 3.26. Chuyển động ngang tại mặt cắt 3 và góc quay trong
khe hở của pít tơng động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 60% tả i........................92
Hình 3.27. Lực va đập giữa pít tông với xi lanh động cơ 6Ч 12/14
với vm ở chế độ 100% và 60% tải.......................................................... 93
ax
Hình 3.28. Lực va đập giữa pít tơng với xi lanh động cơ 6Ч 12/14
với v và N đều lớn ở chế độ 100% và 60% tả i....................................... 93
Hình 3.29. Lực va đập giữa pít tơng với xi lanh động cơ 6Ч 12/14
với Nmax ở chế độ 100% và 60% tải......................................................... 94
Hình 4.1. Nguyên lí đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt..............................................97
Hình 4.2. Quy luật thơng dụng chi phối các cặp nhiệt................................. 98
Hình 4.3. Sơ đồ vịng lặp của hệ thống truyền nhiệt độ............................. 100
Hình 4.4. Cặp nhiệt và vị trí so sánh có nhi ệt độ cố định..........................101
Hình 4.5. Sơ đồ mắc cặp nhiệt ngẫu vào thiết bị đo...................................... 101
Hình 4.6. Quy trình đo nhiệt độ ống lót xi lanh động cơ 6Ч 12/14............. 104
Hình 4.7. Động cơ 6Ч 12/14 và máy phát điện..............................................105

Hình 4.8. Dàn điện trở dùng đo công suất máy p h át.................................... 105
Hình 4.9. Sơ đồ bố trí các lỗ khoan lắp cảm biến trên.................................. 106
Hình 4.10. Cảm biến nhiệt độ lắp trên thân ống lót động cơ 6Ч 12/14....... 106
Hình 4.11. Sơ đồ các ống lót có cảm biến khi lắp vào động cơ....................107
Hình 4.12. Sơ đồ lập trình thu, xử lí tín hiệu trên LabView của thiết bị thu,
biến đổi và khuếch đại tín hiệu nhiệt độ CNĐ...................................... 107
Hình 4.13. Sơ đồ kết đo, thu, biến đổi và khuếch đại tín hiệu, xử lí
và lưu trữ dữ liệu nhiệt độ ống lót xi lanh động cơ 6Ч 12/14.............. 108
Hình 4.14. Cảm biến nhiệt độ được nối với thiết bị thu, biến đổi
và khuếch đại tín hiệu nhiệt độ CNĐ.....................................................108
Hình 4.15. Xác định khoảng chia để biểu diễn tín hiệu................................ 109
Hình 4.16. Sơ đồ tên các điểm đo nhiệt độ trên ống lót xi lanh
động cơ 6Ч 12/14.................................................................................... 111


xiv

Hình Pl 1.1. Nhiệt độ, áp suất và hệ số truyền nhiệt của động cơ 6Ч 12/14
ở chế độ 100% tải, 1500 v /p h ................................................................ 127
Hình Pl1.2. Nhiệt độ, áp suất và hệ số truyền nhiệt của động cơ 6Ч 12/14
ở chế độ 80% tải, 1500 v /p h .................................................................. 127
Hình Pl 1.3. Nhiệt độ, áp suất và hệ số truyền nhiệt của động cơ 6Ч 12/14
ở chế độ 60% tải, 1500 v /p h .................................................................. 127
Hình Pl1.4. Nhiệt độ, áp suất và hệ số truyền nhiệt của động cơ 6Ч 12/14
ở chế độ 40% tải, 1500 v /p h .................................................................. 128
Hình Pl1.5. Nhiệt độ, áp suất và hệ số truyền nhiệt của động cơ 6Ч 12/14
ở chế độ 20% tải, 1500 v /p h .................................................................. 128
Hình Pl1.6. Lực ngang của động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 100% và 80%tải,
1500 v/ph............................................................................................. . 128
Hình Pl1.7. Lực ngang của động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 60% và 40%tải,

1500 v/ph........................................................................................... ......129
Hình Pl1.8. Lực ngang của động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 20%tải, 1500 v/ph. 129
Hình Pl3.1. Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt ống lót xi lanh
động cơ 6Ч12/14 ở chế độ 80% tải........................................................ 132
Hình Pl3.2. Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt pít tơng động cơ
6Ч12/14 ở chế độ 80% tải.......................................................................132
Hình Pl3.3. Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt ống lót xi lanh
động cơ 6Ч12/14 ở chế độ 40% tải........................................................ 132
Hình Pl3.4. Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt pít tơng động cơ
6Ч12/14 ở chế độ 40% tải.......................................................................133
Hình Pl3.5.Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt ống lót xi lanh
động cơ 6Ч12/14 ở chế độ 20% tải........................................................ 133
Hình Pl3.6. Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt pít tơng động cơ
6Ч12/14 ở chế độ 20% tải.......................................................................133
Hình Pl5.1. Chuyển động ngang tại mặt cắt 1, 2 của pít tơng
động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 80% tải....................................................... 137
Hình Pl5.2. Chuyển động ngang tại mặt cắt 3 và góc quay trong khe hở
của pít tơng động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 80% tải.................................. 137


xv

Hình Pl5.3. Chuyển động ngang tại mặt cắt 1, 2 của pít tơng
động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 40% tải....................................................... 138
Hình Pl5.4. Chuyển động ngang tại mặt cắt 3 và góc quay trong khe hở
của pít tơng động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 40% tải.................................. 138
Hình Pl5.5. Chuyển động ngang tại mặt cắt 1, 2 của pít tơng
động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 20% tải....................................................... 138
Hình Pl5.6. Chuyển động ngang tại mặt cắt 3 và góc quay trong khe hở
của pít tơng động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 20% tải.................................. 139

Hình Pl5.7. Lực va đập giữa pít tơng với xi lanh động cơ 6Ч 12/14
với vmax ở chế độ 80% và 40% tải.......................................................... 140
Hình Pl5.8. Lực va đập giữa pít tơng với xi lanh động cơ 6Ч 12/14
với vmax ở chế độ 20% tả i........................................................................140
Hình Pl5.9. Lực va đập giữa pít tơng với xi lanh động cơ 6Ч 12/14
với v và N đều lớn ở chế độ 60% và 40% tả i....................................... 140
Hình Pl5.10. Lực va đập giữa pít tơng với xi lanh động cơ 6Ч 12/14
với v và N đều lớn ở chế độ 20% tải......................................................141
Hình Pl5.11. Lực va đập giữa pít tơng với xi lanh động cơ 6Ч 12/14
với Nmax ở chế độ 60% và 40% tải......................................................... 141
Hình Pl5.12. Lực va đập giữa pít tông với xi lanh động cơ 6Ч 12/14
với Nm ở chế độ 20% tả i.......................................................................141
ax
Hình Pl7.1. Gia cơng lỗ khoan lắp cảm biến nhiệt độ tại Xưởng cơ khí,
Đại học Bách khoa Hà N ộ i.................................................................... 148
Hình Pl7.2. Lắp cảm biến nhiệt tại Bộ môn Nhiệt, Viện công nghệ nhiệt,
Đại học Bách khoa Hà N ộ i.................................................................... 148
Hình Pl7.3. Lắp ống lót có cảm biến nhiệt vào động cơ thử nghiệm
tại Nhà máy X46 Hải quân......................................................................149
Hình Pl7.4. Đo nhiệt độ ống lót xi lanh tại Nhà máy X46 Hải quân........... 149
Hình Pl7.5. Thu dữ liệu đo nhiệt độ ống lót xi lanh
tại Nhà máy X46 Hải quân......................................................................150


1

M Ở ĐẦU
Việt Nam có bờ biển dài hơn 3000 km, vùng biển rộng gấp 3 lần đất liền
với nhiều cửa sơng, bến cảng trải dọc đất nước. Do đó, việc phát triển một đội
tàu vận tải nội địa hiện đại, phù hợp điều kiện đất nước là hết sức cần thiết. Hơn

nữa vùng biển Việt Nam có vị trí địa lí nằm án ngữ trên con đường hàng hải tấp
nập bậc nhất thế giới tiềm ẩn nhiều nguy cơ, vì vậy chúng ta cần có một lực
lượng chức năng được trang bị đủ mạnh làm nhiệm vụ bảo vệ chủ quyền đất
nước. Tất cả những điều này cho thấy cần phải đẩy mạnh nghiên cứu phát triển
ngành công nghiệp đóng tàu. Vì vậy, cần phải triển khai nghiên cứu một cách cơ
bản về cơng nghệ đóng tàu, trong đó có nghiên cứu về động cơ tàu thủy.
Trong động cơ diesel tàu thủy, cặp pít tơng - xi lanh là một cụm chi tiết
quan trọng, cơ bản. Sự làm việc của pít tơng trong xi lanh ảnh hưởng nhiều đến
tình trạng hoạt động của động cơ. Chuyển động của pít tơng trong xi lanh có
tính chu kì nhưng trong thực tế chuyển động này rất phức tạp. Khi động cơ làm
việc, pít tơng chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương đường tâm xi lanh
(chuyển động chính) và chuyển động trong khe hở giữa pít tơng và xi lanh
(chuyển động phụ). Chuyển động này ảnh hưởng lớn đến khối thân động cơ,
gây ra các hiện tượng xấu như tăng giá trị nội lực, biến dạng của xi lanh, thúc
đẩy quá trình mài mịn mặt gương xi lanh và ăn mịn xâm thực, phá hoại bề mặt
ngoài. Đồng thời lúc làm việc, pít tơng cịn chuyển động lắc với tần số cao, gia
tốc lớn gây ra dao động ngang không mong muốn của xi lanh. Tất cả các điều
này tạo nên một sự tương tác phức tạp của cặp pít tơng - xi lanh. Sự tương tác
vốn đã phức tạp lại càng phức tạp hơn do ảnh hưởng của phụ tải cơ nhiệt.
Việc nghiên cứu sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh dưới sự ảnh
hưởng của phụ tải cơ nhiệt đã được quan tâm trên thế giới nhờ sử dụng
phương pháp số và các thiết bị đo hiện đại để mơ hình hóa các dạng kết cấu
của cặp pít tơng - xi lanh. Các kết quả nghiên cứu này được công bố dưới
dạng các bài báo khoa học, không phản ánh đầy đủ các kết quả nghiên cứu.
Do đó vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của phụ tải cơ nhiệt đến sự tương tác của
cặp pít tơng - xi lanh để góp phần hồn thiện việc tính tốn thiết kế cặp pít


2

tơng, xi lanh nói riêng và động cơ nói chung là cần thiết và có ý nghĩa khoa
học. Vì vậy tôi lựa chọn đề tài “
Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến
sự tương tác của cặp pít tơng - xi lanh động cơ diesel lai máy phát điện tàu
thủy” làm hướng nghiên cứu cho luận án tiến sĩ.
Mục đích nghiên cứu của luận án:

Phân tích, lựa chọn mơ hình tính

tốn sự tương tác của cặp pít tơng - xi lanh; mơ hình tính trường nhiệt độ,
biến dạng nhiệt và xác định khe hở nhiệt của chúng ở các chế độ phụ tải khác
nhau để tổng hợp thành mô hình xác định sự ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến
sự tương tác của cặp pít tơng - xi lanh động cơ diesel. Tính tốn ảnh hưởng
của phụ tải nhiệt đến tương tác của cặp cặp pít tơng - xi lanh động cơ diesel
lai máy phát điện tàu thủy. Các kết quả nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm
nhằm góp phần hoàn thiện phương pháp đánh giá sự tương tác của cặp pít
tơng - xi lanh động cơ diesel.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án: Đối tượng nghiên cứu
là cặp pít tơng - xi lanh động cơ 6Ч 12/14 lai máy phát điện trên các tàu của
Hải quân Việt Nam. Đây là loại động cơ đang được sử dụng nhiều trong lực
lượng Hải quân và có nhu cầu chế tạo các chi tiết thay thế. Phạm vi nghiên cứu
là ảnh hưởng của phụ tải nhiệt biểu hiện qua khe hở giữa pít tơng - xi lanh, đến
sự tương tác của cặp pít tơng - xi lanh động cơ diesel cao tốc lai máy phát điện
tàu thủy ở chế độ vòng quay định mức mà cụ thể là ảnh hưởng của phụ tải nhiệt
đến khe hở giữa pít tông - xi lanh.
Phương pháp nghiên cứu của luận án: Kết hợp giữa nghiên cứu lí
thuyết và thực nghiệm. Trong đó, ưu tiên nhiều hơn cho lí thuyết.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:
Các kết quả nghiên cứu góp phần hồn thiện phương pháp đánh giá ảnh
hưởng của phụ tải nhiệt được thể hiện qua trị số khe hở nhiệt, đến sự tương tác của

cặp pít tơng - xi lanh động cơ diesel mà cụ thể là chuyển động phụ của pít tơng,
lực va đập của pít tông lên xi lanh.
Đã xác định được ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương tác của cặp pít
tơng - xi lanh động cơ diesel 6Ч 12/14 tại các chế độ công tác, bổ sung các dữ liệu
làm cơ sở đánh giá chất lượng hoạt động của động cơ.


3

Bố cục của luận án: luận án gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết
luận chung và kiến nghị các hướng nghiên cứu tiếp theo và phụ lục, trong đó:
Mở đầu: Giới thiệu tính cấp thiết của luận án; đối tượng nghiên cứu;
mục tiêu nghiên cứu; phương pháp nghiên cứu; ý nghĩa khoa học và thực tiễn
của luận án.
Chương 1. Tổng quan về sự tương tác của cặp pít tơng - xi lanh và phụ
tải nhiệt của động cơ.
Trình bày tổng quan về đặc điểm kết cấu và lắp ghép của cặp pít tơng xi lanh động cơ tàu thủy, các mơ hình tương tác của cặp pít tơng - xi lanh
động cơ và phụ tải nhiệt của động cơ cùng tình hình nghiên cứu trong và
ngồi nước liên quan đến vấn đề này. Từ đó rút ra các nhận xét, đánh giá các
ưu nhược điểm để xác định mục tiêu nghiên cứu của luận án.
Chương 2. Mơ hình khảo sát sự tương tác của cặp pít tơng - xi lanh khi
xét đến ảnh hưởng của phụ tải nhiệt.
Trình bày cơ sở lí thuyết tính tốn vận tốc chuyển động phụ của pít
tơng trong khe hở giữa pít tơng và xi lanh, tính tốn lực va đập của xi lanh khi
va đập bởi pít tơng, cơ sở lí thuyết tính tốn trường nhiệt độ của cặp pít tơng xi lanh cùng với lựa chọn phần mềm tính tốn cho các phần này.
Chương 3. Khảo sát ảnh hưởng của phụ tải nhiệt tới sự tương tác của
cặp pít tơng - xi lanh động cơ 6Ч 12/14.
Giới thiệu sơ bộ về động cơ 6Ч 12/14 với cặp pít tơng - xi lanh của nó.
Xác định các điều kiện biên và tính tốn trường nhiệt độ, khe hở nhiệt của cặp
pít tơng - xi lanh. Tính tốn sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh của động

cơ 6Ч 12/14 khi xét đến ảnh hưởng của phụ tải nhiệt.
Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm.
Trình bày cơ sở thực nghiệm xác định trường nhiệt độ của ống lót xi
lanh cùng các trang thiết bị phục vụ thí nghiệm. Đo và xử lí số liệu thực
nghiệm. Đánh giá kết quả tính tốn trường nhiệt độ với số liệu đo được.
Kết luận và kiến nghị: Trình bày những kết quả chính và những đóng
góp mới của luận án. Kiến nghị các hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài.


4

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ S ự TƯƠNG TÁC CỦA
CẶP PÍT TƠNG - XI LANH VÀ PHỤ TẢI NHIỆT ĐỘNG CƠ
1.1.

Đặt vấn đề
Trong thực tế, trong cặp pít tơng - xi lanh của động cơ đốt trong luôn

tồn tại khe hở, điều này làm cho chuyển động thực của pít tơng trong xi lanh
rất phức tạp. Ngồi chuyển động chính là chuyển động tịnh tiến lên xuống
theo phương đường tâm xi lanh cịn có các chuyển động phụ như chuyển
động xoay, lắc, chuyển động theo phương ngang v.v... Dưới tác dụng của lực
quán tính, lực khí thể... cùng với các chuyển động phụ này, pít tơng và xi
lanh sẽ tương tác với nhau. Điều này gây nên các hiện tượng không mong
muốn như: va đập, ồn, rung, xâm thực, mài mịn làm giảm tuổi thọ, tính kinh
tế trong khai thác, sử dụng động cơ. Việc nghiên cứu sự tương tác của cặp pít
tơng - xi lanh có ý nghĩa quan trọng, do đó được nhiều nhà nghiên cứu quan
tâm. Sự tương tác này rất phức tạp và rộng, trong phạm vi luận án này sự
tương tác của cặp pít tơng - xi lanh được khảo sát gồm có: chuyển động phụ
của pít tơng (chuyển động ngang và chuyển động xoay) trong khe hở giữa pít

tơng và xi lanh và lực va đập của pít tơng với xi lanh. Khi nghiên cứu chuyển
động thực của pít tơng trong xi lanh, các nhà khoa học cũng quan tâm tới các
yếu tố ảnh hưởng đến sự tương tác này như yếu tố hình học, ảnh hưởng của
phụ tải cơ, phụ tải nhiệt v . v . Phụ tải nhiệt có ảnh hưởng đến nhiều thông số
của sự tương tác như ma sát, độ dày màng dầu bôi trơn, khe hở giữa các chi
tiết chuyển động tương đối v.v... Tuy nhiên, trong luận án này, chỉ khảo sát
ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến khe hở giữa pít tơng và xi lanh (khe hở nhiệt).
Như vậy, ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương tác trong luận án chính là
ảnh hưởng của sự thay đổi khe hở giữa pít tơng và xi lanh do phụ tải nhiệt đến
sự tương tác của chúng.
Trong chương này sẽ trình bày đặc điểm kết cấu của cặp pít tơng, xi
lanh động cơ diesel lai máy phát tàu thủy, mơ tả chuyển động thực của pít
tơng trong xi lanh động cơ diesel; tổng hợp một số kết quả nghiên cứu trong
và ngồi nước về các mơ hình tương tác và phương pháp tính, cùng với các


5

yếu tố ảnh hưởng của phụ tải nhiệt. Trên cơ sở đó, mục tiêu nghiên cứu của
luận án sẽ được xác định.
1.2. Đặc điểm kết cấu và lắp ghép cặp pít tơng - xi lanh động cơ diesel lai máy
phát tàu thủy
Các tổ hợp máy phát điện trên tàu thường sử dụng động cơ diesel 4 kì có
tốc độ định mức để lai máy phát điện. Đặc điểm của các động cơ này là có tốc độ
cao, cơng suất nhỏ (so với động cơ lai chân vịt); động cơ sử dụng các te khô; hệ
thống làm mát bằng nước với hai vịng tuần hồn, vịng trong sử dụng nước ngọt
để làm mát động cơ cịn vịng ngồi sử dụng nước biển để làm mát nước ngọt và
dầu bôi trơn. Bộ điều tốc sử dụng điều tốc một chế độ, thay đổi tải bằng thanh
răng bơm cao áp. Nó khác so với các động cơ diesel lai chân vịt tàu thủy ở chỗ
chỉ hoạt động ở một chế độ tốc độ định mức và có cơng suất nhỏ.

1.2.1. Đặc điểm kết cấu của pít tơng
Theo các tài liệu [4], [10], [15], [25] pít tơng của động cơ diesel lai máy phát
tàu thủy chịu áp suất cực đại cao (7^9) MPa, khi tăng áp có thể lên đến 14 MPa.
Do có tỉ số nén cao nên không gian buồng cháy của động cơ diesel phải
gọn với tỉ lệ diện tích bề mặt/thể tích buồng cháy phải nhỏ để hạn chế tổn thất
nhiệt. Đỉnh của pít tơng có dạng hợp lí, phù hợp với kiểu buồng cháy (Hình 1.1).

Hình 1.1. Kết cấu của một pít tơng động cơ diesel lai máy phát tàu thủy
Thơng thường pít tơng động cơ diesel có 2^3 xéc măng khí và một đến
hai xéc măng dầu. Các xéc măng bố trí ở đầu pít tơng nhưng khi có hai xéc
măng dầu thì xéc măng dầu thứ hai thường bố trí phía dưới lỗ bệ chốt. Để
thốt dầu bơi trơn từ rãnh xéc măng dầu, người ta khoan các lỗ trên thành
trong của rãnh xéc măng. Với việc sử dụng xéc măng dầu bằng gang có tiết


б

diện đặc biệt thì người ta tiện mặt cơn vát gờ dưới của rãnh để tạo rãnh gom
dầu và từ đó dầu theo các lỗ khoan nghiêng thốt về các te.
Để chống biến dạng người ta tiện ô van, đúc lõm, phay vát mặt đầu
hoặc đúc (dập, phay) các hốc lõm phía hai đầu bệ chốt. Pít tơng động cơ
diesel khơng có rãnh bù trừ giãn nở nhiệt. Các rãnh xéc măng khí, đặc biệt là
rãnh xéc măng khí trên cùng của pít tơng bằng hợp kim nhơm có thể được
tăng cường bằng đai gang. Vật liệu chế tạo pít tông thường bằng hợp kim
nhôm, trong một số trường hợp bằng gang. Phần dẫn hướng của pít tơng có
tiết diện dạng ơ van.
Pít tơng động cơ diesel cao tốc lai máy phát tàu thủy thường dùng vật
liệu chế tạo là hợp kim nhôm rèn. Để giảm phụ tải nhiệt, mặt đỉnh có thể được
phủ một lớp hạn chế trao đổi nhiệt. Ngồi ra người ta cịn dùng kiểu pít tơng
ghép với đỉnh bằng vật liệu chịu nhiệt và hệ số truyền dẫn nhiệt thấp như

gang. Một phương án khác là phun dầu làm mát đỉnh pít tơng từ lỗ dẫn trên
đầu nhỏ thanh truyền. Pít tơng động cơ diesel cao tốc lai máy phát tàu thủy
thường có đường kính nhỏ (dưới З00 mm).
1.2.2. Đặc điểm kết cấu của xi lanh
Để thuận tiện cho việc lắp ráp, sửa chữa trên động cơ diesel lai máy
phát tàu thủy người ta sử dụng ống lót xi lanh.
Ong lót xi lanh động cơ diesel lai máy phát tàu thủy là loại lót ướt, kiểu
lót dài. Ưu điểm của loại ống lót này là hiệu quả làm mát xi lanh cao, kết cấu
thân máy kiểu vỏ thân xi lanh chịu lực nên dễ đúc; việc sữa chữa, thay thế ống
lót dễ dàng.
Để chống rỉ, bề mặt ngồi của ống lót có thể được mạ một lớp cadimi
hoặc crơm đục.
Để đảm bảo bao kín, mặt đầu phía trên của ống lót được làm nhơ lên
cao hơn mặt đầu của thân máy và có thể có các rãnh vịng để khi xiết gu dơng
nắp máy, đệm nắp máy sẽ biến dạng và làm tăng khă năng bao kín. Để tăng
cường hiệu suất làm mát, người ta có thể làm những gờ trên bề mặt ngồi của
ống lót.
Hiện nay có hai loại lót ướt thơng dụng: lót ướt có vai tựa trên và lót
ướt có vai tựa dưới (Hình 1.2).


7

a)

b)

Hình Ì.2. Lót xi lanh ướt
a) Lót xi lanh ướt vai tựa trên
b) Lót xi lanh ướt vai tựa dưới

Ơng lót ướt vai tựa trên có độ cứng vững cao nhờ có thành gờ dày ở
vùng chịu nhiệt độ và áp suất khí thể cao, dễ bảo đảm bao kín và ít bị biến
dạng do ống lót có thể dịch chuyển tự do về phía hộp trục khuỷu khi bị giãn
nở nhiệt. Tuy nhiên để thuận tiện cho công nghệ chế tạo, ống lót thường được
tiện thành mặt trụ bậc. Bề mặt ngồi ống lót cịn có hai thành gờ dày (còn gọi
là đai để định tâm khi lắp ghép). Trên bề mặt gờ định tâm phía dưới có các
rãnh vịng để lắp gioăng cao su bao kín nước và dầu. Các rãnh vịng có thể
được gia cơng lỗ định tâm của áo nước hoặc trên lỗ định tâm mà phía dưới có
gia cơng ren để lắp đai ốc đặc biệt, khi xiết sẽ làm biến dạng các gioăng cao
su, tăng cường khả năng bao kín. Đối với ống lót ướt của động cơ hai kì, gờ
định tâm phía dưới được bố trí tại khu vực cửa sổ quét và phải có các rãnh lắp
gioăng cao su bao kín.
Nhược điểm của ống lót ướt vai tựa trên là vùng tiếp xúc với nhiệt độ
và áp suất cao của khí thể khó làm mát được đầy đủ do tồn tại vai tựa và gờ
định tâm phía trên. Nhược điểm này được khắc phục một phần bằng cách
giảm tối đa chiều cao vai tựa và gờ lỗ định tâm cũng như tăng cường tốc độ
chảy bao bọc của nước làm mát tại khu vực này. Đối với động cơ tàu thủy cỡ
lớn người ta cịn làm lỗ trong ống lót ở phần đầu lót tiếp xúc với khu vực nhiệt
độ và áp suất cao, nước được dẫn vào và thoát ra ở trên nắp xi lanh.
Ơng lót ướt vai tựa dưới khắc phục được nhược điểm này của ống lót


8

ướt vai tựa trên bằng cách kết hợp hai chức năng vai tựa và định tâm cho gờ
định tâm phía dưới. Nước làm mát chảy bao bọc gờ phía trên của ống lót và
nhờ vậy nó được làm mát tốt hơn. Gờ phía trên khơng cịn chức năng định tâm
mà chỉ có tác dụng đảm bảo độ cứng vững. Như vậy chiều cao mặt trụ bậc
định tâm phía dưới phải lớn hơn, địi hỏi độ chính xác gia cơng cao hơn.
Nhược điểm của ống lót ướt vai tựa dưới là nước làm mát dễ bị lọt vào

bên trong xi lanh nếu đệm nắp máy khơng đủ dày và có độ đàn hồi cần thiết.
Do bị chặn phía dưới nên khi làm việc ống lót giãn nở nhiệt theo chiều dài và
nhơ lên về phía nắp xi lanh làm cho đệm bị biến dạng thêm. Khi động cơ nguội,
ống lót co ngắn lại, nếu đệm nắp máy không đủ khả năng biến dạng đàn hồi trở
lại thì dễ bị nước lọt qua. Ngồi ra nếu ống lót khơng có độ cứng vững cần thiết
và khơng đảm bảo độ chính xác mối ghép giữa gờ định tâm của ống lót và lỗ
định tâm trên áo nước thì ống lót dễ bị biến dạng, nghiêng lệch đi làm ảnh
hưởng đến chất lượng làm việc của bộ pít tơng - xéc măng - ống lót xi lanh.
Những nhược điểm trên có thể khắc phục được và ống lót ướt vai tựa
dưới làm kết cấu áo nước đơn giản hơn, cho phép dùng phương pháp đúc áp
suất đối với khối vỏ thân xi lanh bằng hợp kim nhôm nên ngày càng được sử
dụng rộng rãi hơn. Là loại ống lót tiếp xúc trực tiếp với nước làm mát, nó
được lắp với thân máy bằng các vịng đai lắp ghép được gia cơng chính xác.
Ơng lót ướt có gờ vai để định vị dọc trục trong thân máy
1.2.3. Đặc điểm lắp ghép của cặp pít tơng - xi lanh
Khi lắp pít tơng với các xéc măng vào xi lanh, các xéc măng sẽ bung ra
để bao kín khơng gian thể tích buồng cháy khơng cho rị lọt khí cháy xuống các
te. Khi động cơ làm việc, pít tơng cùng với xéc măng chuyển động tịnh tiến qua
lại theo đường tâm trong xi lanh. Ơng lót xi lanh được lắp vào thân máy, cố
định không xoay, nhưng có thể giãn nở dọc trục. Việc bơi trơn cho ống lót xi
lanh được thực hiện bằng phương pháp vung té, với các động cơ cỡ lớn, thấp
tốc còn được khoan lỗ dẫn dầu bơi trơn cho ống lót. Phần dẫn hướng của pít
tơng có tác dụng định vị khơng cho pít tơng bị lệch trong xi lanh. Tuy nhiên, do
ln tồn tại khe hở nên chuyển động của pít tông trong xi lanh rất phức tạp. Ma
sát của hệ pít tơng, xi lanh, xéc măng diễn ra phức tạp không kém.