Đồ án tốt nghiệp ngành cơ khí đóng tàu Tính toán thiết kế ba hệ thống phục vụ động cơ Diesel tàu thuỷ

4

Mở đầu
1. Lý do lựa chọn đề tài
Trong việc nghiên cứu, tính toán thiết kế động cơ Diesel thì thiết kế hệ thống
phục vụ của nó là rất quan trọng. Các hệ thống có một vai trò to lớn trong quá trình
hoạt động của động cơ. Góp phần nâng cao công suất, hiệu suất và tuổi thọ của
động cơ.
Trong quá trình khai thác động cơ Diesel tàu thuỷ, việc quan tâm và nghiên
cứu các hệ thống phục vụ sẽ giúp cho động cơ đảm bảo luôn hoạt động ở tình trạng
kĩ thuật tốt nhất. Đồng thời cũng tránh đ ợc quá trình hỏng hóc do quá trình sử
dụng sai các hệ thống phục vụ.
Ngày nay các động cơ Diesel tàu thuỷ ngày càng hiện đại hoá. Điều đó đòi
hỏi các hệ thống phục vụ nó cũng phải hoàn thiện dần. Tiến tới nâng cao công suất
động cơ và nâng cao tính kinh tế của hệ thống.
2. Mục đích đề tài
Tính toán thiết kế ba hệ thống phục vụ động cơ Diesel tàu thuỷ là: Hệ thống
nhiên liệu, hệ thống bôi trơn và hệ thống làm mát. Trong đó cần tính toán các thiết
bị của ba hệ thống nh cụm bơm, các bầu lọc, các bầu sinh hàn, các két phục vụ
động cơ.
3. Nội dung đề tài.
Gồm hai ch ơng:
Ch ơng 1 : Tính nhiệt của chu trình công tác động cơ Diesel
Ch ơng 2 : Tính toán thiết kế một số hệ thống phục vụ động cơ.
Phần 1: Thiết kế hệ thống nhiên liệu
Phần 2: Thiết kế hệ thống bôi trơn
Phần 3: Thiết kế hệ thống làm mát
Phần 4: Tìm hiểu một số loại bơm cao áp
4. Ph ơng pháp nghiên cứu của đề tài
5

Mô tả nguyên lí hoạt động của toàn bộ hệ thống từ đó tính toán cụ thể một số
thiết bị trong hệ thống cụ thể.
5. Phạm vi của đề tài
Đề tài chỉ có giới hạn trong phạm vi tính toán thiết kế hệ thống phục vụ của
loại động cơ Diesel tàu thuỷ cỡ lớn.
6.ý nghĩa khoa học và thực tiễn
+ý nghĩa khoa học: Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống phục vụ động cơ
Dieseltàu thuỷ. Cách tính toán thiết kế chúng, từ đó tối u hoá các hệ thống phục
vụ.
+ ý nghĩa thực tiễn: Tính toán và đ a vào sản xuất hệ thống nhiên liệu cho các loại
động cơ Diesel tàu thuỷ cỡ lớn


1

MụC LụC


Trang

Mở đầu


1

Lý do lựa chọn đề tài

4

2

Mục đích đề tài

4

3

Nội dung đề tài

4

4

Ph
ơng pháp nghiên cứu của đề tài

4

5

Phạm vi của đề tài

5

6

ý nghĩa khoa học và thực tiễn

5

Ch ơ
ng 1: Tính nhiệt của chu trình công tác động cơ điêsel

6

1.1

Lựa chọn công thức và ch ơ
ng trình tính

6

1.2

Kết quả

15

Ch
ơng 2: Thiết kế một số hệ thống phục vụ động cơ

16

2.1

Thiết kế hệ thống nhiên liệu

16

2.1.1

Yêu cầu đối với hệ thống nhiên liệu.

17

2.1.2

Lựa chọn ph
ng án thiết kế

17

2.1.3

Nguyên l
ý làm việc của hệ thống nhiên liệu

19

2.1.4

Thiết kế hệ thống nhiên liệu

19

2.2

Thiết kế hệ thống bôi trơn

39

2.2.1

Nhiệm vụ yêu cầu đối với hệ thống bôi trơn

39

2.2.2

Lựa chọn ph ơ
ng án thiết kế

39

2.2.3

Tính toán thiết kế hệ thống bôi trơn

42

2.3

Thiết kế hệ thống làm mát

50

2.3.1

Nhiệm vụ của hệ thống làm mát

50

2.3.2

Yêu cầu đối với hệ thống làm mát

50

2.3.3

Lựa chọn ph ơ
ng án thiết kế

50

2.3.4

Nguyên lý làm việc của hệ thống làm mát

54


2

2.3.5

Thiết kế hệ thống làm mát

54

2.4

Tìm hiểu mộ
t số loại bơm cao áp

60


Ch ơng trình tính nhiệt động cơ

62


Kết luận và khuyến nghị

75


Tài liệu tham khảo

76


Các bản vẽ dùng để báo cáo

6 bản


3
Danh mục các bản vẽ và đồ thị

STT

Tên hình vẽ

Trang

1

Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu gián tiếp

17

2

Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp

18

3

Kết cấu bơm bô sơ

21

4

Sơ đồ điều chỉnh l ợng nhiên liệu cấp

23

5

Kết cấu vòi phun

26

6

Kết cấu kim phu
n

31

7

Sơ đồ nguyên lý làm việc của bơm piston

32

8

Kết cấu bầu lọc thô

35

9

Kết cấu bầu lọc tinh

36

10

Sơ đồ hệ thống bôi trơn vung té

39

11

Sơ đồ hệ thống

bôi trơn các te ớt

40

12

Sơ đồ hệ thống

bôi trơn các te khô

42

13

Sơ đồ hệ thống hệ thống l
àm mát hở

51

14

Sơ đồ hệ thống làm mát kín

52


6
Ch ơng 1: Tính nhiệt của chu trình công tác động cơ Diesel
1.1. Lựa chọn công thức và ch ơng trình tính
Chu trình động cơ hoàn thành sau hai vòng quay trục khuỷu đối với động cơ
bốn kỳ và sau một vòng quay của trục khuỷu đối với động cơ hai kỳ.Tuy nhiên
trong một chu trình công tác cả hai động cơ phải thực hiện các quá trình nạp, nén,
nổ, xả. Để xác định mối quan hệ giữa các thông số của chu trình công tác của động
cơ thì phải tính chu trình công tác. Việc tính chu trình công tác có thể tính theo
ph ơng pháp cổ điển hoặc ph ơng pháp mới. Để lựa chọn ph ơng pháp tính cần
phải đánh giá các ph ơng pháp đó.
1.1.1. Đánh giá ph ơng pháp cổ điển tính chu trình công tác của động cơ Điêsel.
Để tính chu trình công tác của động cơ cần phải nghiên cứu, tính toán các
quá trình công tác : Nạp, nén, cháy giãn nở và xả trên cơ sở nhiệm vụ thiết kế và
động cơ mẫu lựa chọn. Sau khi tính các quá trình sẽ xác định đ ợc các thông số môi
chất tại các điểm đặc tr ng. Trong qúa trình tính sẽ lựa chọn đ ợc các hệ số, các chỉ
số đặc tr ng cho chu trình phụ thuộc vào loại động cơ thiết kế. Dựa vào kết quả tính
toán xây dựng đồ thị công chỉ thị, đây là công đoạn chủ yếu để xác định các thông
số chỉ thị và có ích của động cơ.
Theo ph ơng pháp cổ điển, để tính chu trình công tác của động cơ cần phải
giả thiết quá trình nén và giãn nở đa biến với chỉ số đa biến trung bình n1 và n2 quá
trình cấp nhiệt đẳng tích và đẳng áp thay cho quá trình cháy nhiên liệu đ ợc đặc
tr ng bởi tỉ số tăng áp suất trong quá trình cháy , chỉ số giãn nở sớm . Ngoài ra

để tính các thông số của chu trình còn phải chọn nhiều hệ số khác nh : Hệ số lợi
dụng nhiệt, hệ số biến đổi phân tử.
Từ cách tính chu trình công tác theo ph ơng pháp cổ điển có thể rút ra một số
nhận xét sau đây:
- Không xét đ ợc ảnh h ởng của góc phối khí
- Sử dụng quá trình hệ số lựa chọn nên không đảm bảo độ chính xác
7
- Không xét đ ợc ảnh h ởng của góc phun sớm, quy luật cấp nhiên liệu,
l ợng nhiệt trao đổi với n ớc làm mát
- Không xét đ ợc các thông số động học quá trình cháy và mối quan hệ
giữa các thông số này với lực tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu
- Với ph ơng pháp này rất khó nghiên cứu các thông số công tác khi động
cơ làm việc theo các đ ờng đặc tính điều chỉnh, đặc tính bộ phận, đặc tính
chong chóng và ảnh h ởng của điều kiện khai thác tới chất l ợng làm việc
của động cơ.
1.1.2. Ph ơng pháp cân bằng năng l ợng
Động cơ tầu thuỷ hiện đại chủ yếu là động cơ tăng áp bằng tua bin khí xả.
Các quá trình công tác trong xi lanh động cơ và trong tua bin máy nén có mối liên
hệ phụ thuộc lẫn nhau, điều đó ph ơng pháp cổ điển không tính đến. Vì vậy phải
soạn thảo mô hình toán học mà các quá trình công tác cho phép tính đến các yếu tố
này và cho phép đánh giá ảnh h ởng của chúng đến đặc tính quá trình công tác, tính
kinh tế và tính tin cậy của động cơ.
Trong đề tài này sử dụng ph ơng pháp cân bằng năng l ợng để nghiên cứu.
Để áp dụng ph ơng pháp này phải giả thiết môi chất trong thể tích công tác của xi
lanh tại thời điểm bất kỳ đều ở trạng thái cân bằng, nghĩa là môi chất trong xi lanh
là một hệ thống nhiệt động cân bằng. Nếu bỏ qua sự rò lọt môi chất qua xéc măng
trong quá trình nén và giãn nở thì hệ thống nhiệt động là hệ kín.
Nh vậy, với ph ơng pháp này thì môi chất trong thể tích làm việc của xi
lanh trong quá trình luôn tuân theo định luật thứ nhất.
Ph ơng trình cân bằng năng l ợng của môi chất đ ợc biểu diễn thông qua

công thức:

d
dL
d
dU
d
dQ
+=

8
d
dQ
- L ợng nhiệt cấp cho môi chất theo góc quay của trục khuỷu (KT
0
/TK)
d
dU
- Độ thay đổi nội năng của môi chất theo góc quay của trục khuỷu (KT
0
/TK)
d
dL
- Độ thay đổi công theo góc quay của trục khuỷu (KT
0
/TK)

- Góc quay của trục khuỷu thay đổi từ 0 đến

ct

, tính từ ĐCT lúc bắt đầu quá
trình nạp.
Biến thiên nội năng của môi chất tính theo công thức:
d
dm
u
d
dT
Cvm
d
dQ
+=
Độ thay đổi công tính theo công thức:
d
dV
p
d
dl
.=
m - Khối l ợng chất công tác (kg)
C
V
- Nhiệt dung riêng đẳng tích (kJ/(kg.K))
u - Nội năng đơn vị chất công tác (kJ/kg)
P - áp suất môi chất trong xi lanh
V - Thể tích môi chất công tác (m
3
)
Nội năng đơn vị chất công tác:

U =

0
.dTCv
a. Sự thay đổi các thông số môi chất trong quá trình nén
Môi chất công tác gồm khí sạch và khí sót nên ph ơng trình nhiệt động có dạng:
d
dT
CvrmCvm
d
dU
rkk
) ( +=
C
V
= a + b.T - Nhiệt dung riêng của không khí a = 19,88 ; b = 0,00275
C
Vr
= c + d.T - Nhiệt dung riêng của sản vật cháy c = 21,81; d = 0,003853
Nhiệt l ợng các chi tiết truyền cho môi chất tính theo công thức:
9



d
d
FvxTkcTvx
d
dU
d

dU
vk
.) ( ==
vk
- Hệ số truyền nhiệt từ vách tới môi chất theo góc quay trục khuỷu và bề mặt
trao nhiệt; kW/(m
2
.K)
T
VX
- Nhiệt độ trung bình vách sau 1 chu trình, ở chế độ định mức T
VX
= 400 ữ 480
K
F
VX
- Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt m
2

: Thời gian trao đổi nhiệt (s)
nd
d
.6
1
=


nên
n
Fvx

FvxTkcTvx
d
dU
d
dU
vk
.6
.) ( ==


b. Sự thay đổi các thông số trong quá trình cháy.
Góc bắt đầu cháy nhiên liệu tính theo công thức
ifs
+=
fs
Góc phun sớm nhiên liệu lấy theo lý lịch động cơ
i
Góc cháy trì hoãn
0
TK
Khối l ợng môi chất kể cả sản vật cháy tính theo công thức
d
dx
g
d
dm
ct
.=
G
ct

l ợng nhiên liệu phun vào xi lanh trong 1 chu trình (kg)
Tốc độ cháy t ơng đối tính theo thực nghiệm
Khối l ợng không khí giảm xuống trong quá trình cháy:
G
bx
= G
b
G
0
. g
ct
.x
Sản vật cháy tăng lên
m
kcx
= m
r
+ g
ct
.x G
0
. g
ct
.x
X =


d
d
dx

.
0

Phần trăm nhiên liệu đã cháy ứng với thời điểm xét
Nhiệt l ợng cấp cho môi chất công tác
d
dQ
d
dQ
d
dQ
X
W
+=
Ư

10
L ợng nhiệt toả ra do cháy phần nhiên liệu cấp kW/kg
d
dx
gQ
d
dQ
ctH
X
=

c. Sự thay đổi các thông số môi chất trong quá trình giãn nở
Trong quá trình giãn nở kết thúc quá trình cấp nhiên liệu vào bên trong xi
lanh, còn khối l ợng sản vật cháy giữ không đổi cho đến khi mở cửa thải.

Dựa theo các ph ơng trình nêu trên sẽ xác định đ ợc áp suất môi chất công
tác và từ đó tính đ ợc nhiệt độ theo ph ơng trình trạng thái của môI chất.
1.1.3 Một số công thức dùng trong quá trình tính toán
- Tốc độ trung bình của piston C
m
(m/s)
30
.nS
C
m
=
- Tốc độ lớn nhất của piston khi nạp qua xu páp nạp (m/s)
C
W
= 1,57.C
m
.k
k - Tỉ số giữa diện tích đỉnh piston và diện tích lỗ xu páp
- Nhiệt trị thấp của nhiên liệu.
Q
H
= 100.[339.C + 1256.H 109.(O-S) r
W
.(9H+W)
r
W
= 2512 kJ/kg - Nhiệt ẩm hoá hơi của n ớc trong nhiên liệu ứng với áp suất 101,2
kPa
- Nhiệt độ của không khí sau máy nén tăng áp (
0

K )
k
k
n
n
Kk
TT
1
0
.

=
k
- Tỉ số tăng áp
N
k
= 1,5 - 2 Chỉ số nén đa biến trong máy nén
T
S
= T
K
- .T
lm

.T
lm
- Độ giảm nhiệt độ trong bầu làm mát
P
S
= P

K
.
K
- .P
lm

.P
lm
- Độ giảm áp suất áp trong bầu làm mát
- áp suất không khí cuối quá trình nạp
11
s
w
sa
Tw
C
pp
576
10.
2
52
=
- Hệ số khí sót
).(
).(
rar
rs
r
PPT
PtT

+
=


- Tỉ số nén lí thuyết
P
r
, T
r
áp suất và nhiệt độ khí sót
t = 5 ữ 10
0
C Độ tăng nhiệt độ không khí do tiếp xúc với vách
- Nhiệt độ không cuối quá trình nạp
r
rrs
a
TtT
T


+
++
=
1
.

- Diện tích bề mặt xung quanh xi lanh công tác khi piston ở ĐCT
1

.
.
2
.
2
0

+=


SDD
F
- Diện tích bề mặt của các chi tiết tiếp xúc với môi chất công tác
)sin 5,0cos1.( 5,0
2
0
++= SDSDFF
vx

- Góc quay khuỷu
- Thể tích công tác của xi lanh (m
3
)
2

4
1
DSV
S
=

- Thể tích buồng cháy
1
1
.

=

SC
VV
- Thể tích công tác của xi lanh khi piston ở điểm chết trên
SCa
VVV +=
- Thể tích công tác của xi lanh tính theo góc quay trục khuỷu
)sin 5,0cos1.( 25,0
22
++= SDVV
Cvx

- Khối l ợng rỉêng của không khí sau máy nén
s
s
s
TR
P
.
.=
12
R = 287 kJ/(kmol.K) – h»ng sè cña kh«ng khÝ
- L îng kh«ng khÝ kh« cÇn thiÕt ®Ó ®èt ch¸y 1 kg nhiªn liÖu (kmol/kg)







−++=
3232412
.
21,0
1 OSCC
L
o

- HÖ sè n¹p kh«ng kÓ ®Õn hµm l îng Èm
ras
sa
H
TP
TP
γε
ε
η
+−
=
1
1
.
.
.
.

1

- HÖ sè n¹p kÓ ®Õn hµm l îng Èm


d
r
r
HHt
++
+
=
γ
γ
ηη
1
1
.
D -hµm l îng Èm cña kh«ng khÝ vµo xi lanh
- L îng kh«ng khÝ thùc tÕ n¹p vµo xi lanh trong 1 chu tr×nh kh«ng kÓ ®Õn hµm
l îng Èm cña kh«ng khÝ (kg)
SSHB
VG ρη =
- HÖ sè d l îng kh«ng khÝ α kh«ng kÓ ®Õn hµm l îng Èm
0
.Gg
G
ct
B
=α

- L îng kh«ng khÝ lý thuyÕt cÇn thiÕt ®Ó ®èt ch¸y 1 kg nhiªn liÖu
00
.LG
S
µ=
- Khèi l îng cña 1 mol kh«ng khÝ
96,28=
S
µ kg/kmol
- HÖ sè d l îng kh«ng khÝ α cã kÓ ®Õn hµm l îng Èm
d.61,11
1
+
=
α
α
- Thêi gian ch¸y tr× ho·n
294,0635,0
1
.).(
4,8217
kfkfm
TPC
=τ
13
T
kf
- Nhiệt độ môi chất trong xi lanh lúc bắt đầu phun nhiên liệu

P

kf

- áp suất môi chất trong xi lanh lúc bắt đầu phun nhiên liệu
- Hệ số truyền nhiệt từ khí tới vách ống lót xi lanh
kckcmmc
TPC 47,2
3
=
P
kc
, T
kc
- áp suất và nhiệt độ khí cháy
- Bề mặt trao đổi nhiệt tức thời của vách với mô chất công tác






+

+=




S
S
D

D
F
w
1

2
.
2

S


- Độ dịch chuyển tức thời của piston
)sin 5,0cos1.(.5,0
2


+= SS
- L ợng nhiệt toả ra và tốc độ toả nhiệt tính theo công thứcVibe
Phần trăm nhiệt l ợng toả ra theo góc quay trục khuỷu

=
+1
.908,6exp1
m
z
x



- Tốc độ toả nhiệt theo góc quay trục khuỷu

+
=
+1
.908,6exp
1
.908,6
m
zzz
m
d
dx

m - Chỉ số đặc tr ng cho sự phát triển sự cháy chọn theo thực nghiệm m = 0,3 - 1
z
- Thời gian cháy (
z
= 50 ữ 130
0
) góc quay khuỷu

- Góc cháy ban đầu

=
fs
+
i

fs
- Góc phun sớm nhiên liệu
i
- Thời gian cháy trễ của nhiên liệu
- áp suất chỉ thị trung bình
S
i
i
V
L
P =
14
L
i

- C«ng chØ thÞ cña chu tr×nh
- C«ng suÊt chØ thÞ
60

z
nPViN
isSi
µ=
- SuÊt tiªu hao nhiªn liÖu chØ thÞ
αµ
η

3600
0 iss
HS
i
PTLR
P
g =
- HiÖu suÊt chØ thÞ
HsH
iss
i
PQ
PTLR
η
αµ
η

0
=
- ¸p suÊt cã Ých trung b×nh
mic
P - P P =

P
m
- ¸p suÊt tæn hao c¬ giíi

- HiÖu suÊt c¬ giíi
i
c
m
P
P
=η
- C«ng suÊt cã Ých
mie
NN η.=
- SuÊt tiªu hao nhiªn liÖu cã Ých
m
i
e
g
g
η
=
- HiÖu suÊt cã Ých

mie
ηηη .=
- SuÊt tiªu hao nhiªn liÖu trong 1h: .Neg B
eh
=

16

Ch ơng 2: Thiết kế một số hệ thống phục vụ động cơ
2.1. Thiết kế hệ thống nhiên liệu.
2.1.1. Yêu cầu đối với hệ thống nhiên liệu.
Quá trình cấp nhiên liệu tốt hay xấu đều ảnh h ởng đáng kể đến công suất và
tuổi thọ của các chi tiết. Do đó hệ thống nhiên liệu cần đảm bảo một số yêu cầu
sau:
a. Yêu cầu về l ợng nhiên liệu:
- L ợng nhiên liệu cấp cho mỗi xi lanh phải đúng theo yêu cầu cần thiết cho mỗi
chu trình công tác của động cơ (Đảm bảo định thời, định chất và định l ợng) có thể
dễ dàng điều chỉnh l u l ợng theo phụ tải ban đầu.
- L ợng nhiên liệu phun vào các xi lanh của động cơ phải đều nhau (chênh lệch về
l ợng nhiên liệu giữa các xi lanh không v ợt quá 5%).
- Dự trữ đủ l ợng nhiên liệu cho thời gian hành trình của tầu.
b.Yêu cầu về thời điểm và thời gian cấp nhiên liệu.
- Nhiên liệu phun vào xi lanh phải đúng thời điểm quy định ( Đúng góc phun sớm)
- Nếu phun sớm quá, lúc này nhiệt độ và áp suất khí nén trong xi lanh còn thấp,
nhiên liệu phun vào khả năng bốc hơi chậm, quá trình cháy sẽ khó khăn, gây lãng
phí nhiên liệu, áp suất cháy thấp, công suất giảm, động cơ nhả khói đen. Mặt khác
do phun sớm quá sẽ có hiện t ợng cháy tr ớc khi piston lên đến ĐCT, gây phản áp
làm cho động cơ chạy bị rung.
- Nếu phun muộn quá, nhiên liệu không có thời gian chuẩn bị cháy, thời gian cháy
rớt kéo dài, áp suất khí cháy thấp, công suất động cơ giảm, lãng phí nhiên liệu,

động cơ xả khói đen.
- Thời gian phun nhiên liệu phải hợp lý phải bảo đảm phun hết l ợng nhiên liệu.
Thời gian phun kéo dài sẽ làm quá trình cháy không tập trung, có hiện t ợng cháy
rớt làm giảm công suất động cơ, giảm tuổi thọ và lãng phí nhiên liệu.
c. Yêu cầu về áp suất phun.

17

- áp suất phun nhiên liệu phải đủ lớn để đảm bảo nhiên liệu sau khi ra khỏi đầu
phun hoá s ơng hoàn toàn và có sức xuyên suốt không gian vùng đốt để hoà trộn
với khí nén trong xi lanh.
- áp suất phun nhiên liệu hoàn toàn phụ thuộc vào kết cấu buồng cháy, kết cấu đầu
phun và loại nhiên liệu.
d. Yêu cầu về trạng thái phun.
- Nhiên liệu phun vào buồng đốt phải đảm bảo sao cho các hạt nhiên liệu phun ra
phải tơi, chùm tia phải phù hợp với hình dáng buồng cháy để hoá hơi tốt.
- Quá trình phun phải dứt khoát, lúc bắt đầu và kết thúc phun không có hiện t ợng
nhỏ giọt, sau khi phun xong đầu phun phải khô.
2.1.2. Lựa chọn ph ơng án thiết kế
Hệ thống nhiên liệu của động cơ đIêzel có kết cấu rất phức tạp và nhiều chi
tiết có độ chính xác cao, cách bố trí kết cấu hệ thống đối với từng động cơ là khác
nhau. Do đó việc lựa chọn ph ơng án thiết kế dựa trên cơ sở phân loại các hình thức
của hệ thống nhiên liệu nh sau:
2.1.2.1. Hệ thống phun nhiên liệu gián tiếp
1. Sơ đồ


1- Két trực nhật, 2- Bầu lọc nhiên liệu, 3- Bơm vận chuyển nhiên liệu,
4- Bơm cao áp, 5- Đ ờng ống cao áp, 6- Vòi phun
Hình 2.1 - Sơ đồ nguyên lý hệ thống phun gián tiếp

2. Nguyên lý hoạt động

18

- Thời điểm phun nhiên liệu do cam khống chế thông qua việc dẫn động vòi phun.
- áp lực phun và l ợng nhiên liệu do bơm cao áp đảm nhiệm. Bơm 3 lấy dầu từ két
1 đ a đến bơm cao áp 4. Bơm cao áp cấp nhiên liệu cao áp lên đ ờng ống 5 tới các
vòi phun và đ ợc phun vào động cơ khi vòi phun mở.
- Hệ thống này ít dùng vì có nhiều nh ợc điểm nh : Truyền động cồng kềnh, kim
phun bị bao bọc bởi 1 lớp nhiên liệu cao áp nên dễ hỏng hóc.
2.1.2.2. Hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp.
1. Sơ đồ cấu tạo.


1,15- Van tràn, 2- Đ ờng ống cao áp, 3,4,5- Các đ ờng dàu hồi, 6- Van, 7- Bầu lọc thô,8- Van
tay,
9- Bơm cấp nhiên liệu bằng tay, 12- Động cơ, 13- Đồng hồ đo áp suất bơm cao áp,
14- L ới lọc, 11- Bơm cao áp, 16- Nút, 18- Miệng hút, 19- Két nhiên liệu,
20- Bầu lọc tinh, 21- Bơm nhiên liệu.
Hình 2.2 - Sơ đồ nguyên lý của hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp
2. Nguyên lý hoạt động.
- Bơm chuyển nhiên liệu 21 hút nhiên liệu từ thùng chứa qua miệng hút 18 và bầu
lọc thô 7 cung cấp nhiên liệu qua bầu lọc tinh 20 tới bơm cao áp 11. Van tràn 1
dùng để hạn chế áp suất nhiên liệu trên đ ờng ống và để xả nhiên liệu thừa vào ống
dầu hồi 5 trở về thùng chứa.

19

- Đồng hồ áp suất 13 dùng để kiểm tra áp suất trong không gian cấp nhiên liệu vào
bơm cao áp. Số tổ bơm cao áp bằng số xi lanh của động cơ ( Sơ đồ nguyên lý không

biểu thị số tổ bơm cao áp). Bơm cao áp chuyển nhiên liệu qua đ ờng ống cao áp 2
tới vòi phun đ a vào xi lanh động cơ.
- Nhiên liệu rò qua khe hở trong thân kim phun của vòi phun và trong các tổ bơm
đ ợc theo các đ ờng ống dầu hồi 3 trở về két chứa.
- Nhiên liệu đi vào xi lanh bơm cao áp không đ ợc lẫn không khí vì không khí sẽ
làm cho hệ số nạp của bơm không ổn định, thậm chí còn làm gián đoạn quá trình
cấp nhiên liệu. Vì vậy trong hệ thống tại nh ng nơi có khả năng tích tụ không khí
phải bố trí các van xả khí để xả hết không khí lẫn trong hệ thống.
- Khi động cơ ngừng hoạt động lâu ngày, nhiên liệu trong hệ thống bị rò qua những
chỗ không kín khít, vì vậy tr ớc khi khởi động động cơ phải sử dụng 1 bơm tay
hoặc bơm điện 9 lắp song song với bơm chuyển nhiên liệu 21 để bơm nhiên liệu
đầy vào hệ thống. Sau đó phải khoá van 8 để cắt bơm 9 ra khỏi hệ thống rồi mới
khởi động động cơ.
- !u điểm: Kết cấu gọn nhẹ độ tin cậy cao, việc bảo quản chăm sóc vận hành dễ
dàng và độ tin cậy cao.
Ngày nay, hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp đ ợc sử dụng rất phổ biến bởi
những u điểm v ợt trội của nó. Do vậy đề tài này cũng chọn hệ thống này để cấp
nhiên liệu cho động cơ.
2.1.3. Nguyên lý làm việc của hệ thống nhiên liệu
2.1.3.1. Sơ đồ nguyên lý.(sơ đồ Hình 2-2)
2.1.3.2. Nguyên lý làm việc.
Đã trình bày trong mục (2.1.2.2).
2.1.4. Thiết kế hệ thống nhiên liệu
2.1.4.1. Tính toán bơm cao áp.
1. Nhiệm vụ bơm cao áp
Bơm cao áp có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu cho xi lanh động cơ đảm bảo:

20

- Nhiên liệu có áp suất cao, tạo chênh áp lớn tr ớc và sau lỗ phun

- Cung cấp nhiên liệu đúng thời điểm và theo quy luật mong muốn
- Cung cấp nhiên liệu đồng đều vào các xi lanh động cơ.
- Dễ dàng và nhanh chóng thay đổi l ợng nhiên liệu cấp cho chu trình phù hợp với
chế độ làm việc của động cơ.
2. Phân loại bơm cao áp.
Bơm cao áp dùng trên động cơ điêsel có rất nhiều loại khác nhau. Dựa vào
cách điều chỉnh nhiên liệu mà phân các loại sau:
a. Bơm cao áp điều chỉnh nhiên liệu bằng van tiết l u loại này piston của bơm
có kết cấu hình trụ không có gì đặc biệt.
b. Bơm cao áp điều chỉnh nhiên liệu bằng mặt cam vát. Đặc điểm của piston
nh trên, cam có dạng mặt vát để điều chỉnh hành trình có ích của piston.
c. Bơm cao áp điều chỉnh nhiên liệu bằng ngăn kéo piston, loại này trên
piston có rãnh xoắn và rãnh thẳng thông với cửa sổ cấp nhiên liệu trên xi lanh. Loại
bơm này dựa vào thời điểm cấp đ ợc chia thành 3 loại:
- Loại điều chỉnh thời gian bắt đầu cấp
- Loại điều chỉnh thời gian kết thúc cấp
- Loại điều chỉnh hỗn hợp
Mặc dù có nhiều loại nh vậy, nh ng hầu hết các động cơ điezel ngày nay
đều dùng loại bơm cao áp thay đổi l ợng nhiên liệu bằng cách dùng rãnh xoắn trên
piston (piston ngăn kéo) loại này còn gọi là bơm Bô sơ.
3. Kết cấu bơm bô sơ.

21


8

6

a

4

c

b

3

2

1

7

5


a- Cöa cÊp, b- R·nh xo¾n, c- Cöa x¶, 1-Cam, 2- Con l¨n, 3- Lß xo, 4- Lß xo cao ¸p,
5- Van cao ¸p, 6- Piston, 7- Thanh r¨ng, 8- Xi lanh
H×nh 2.3 - KÕt cÊu b¬m b« s¬


22


a. Đặc điểm cấu tạo
- Bơm đ ợc cấu tạo bằng các loại thép hợp kim có khả năng chịu áp suất cao và có
khả năng chịu đ ợc tải trọng thay đổi theo chu kỳ, và chống mòn tốt nh XBR,
25X5M.

- Với các chi tiết của cặp piston xi lanh bơm cao áp thì các mặt ma sát có độ cứng
không nhỏ hơn HRC58, mặt đầu không nhỏ hơn HRC55, với cặp piston xi lanh
đ ợc chế tạo bằng thép 25C5M cần thấm Ni tơ.
- Cặp chi tiết van cao áp và đế van cũng yêu cầu cao về mặt công nghệ. Vật liệu chế
tạo là thép hợp kim XBR, sau khi nhiệt luyện độ cứng phải đạt HRC56-62và HRC
60-64
- Cặp chi tiết chính xác là piston 6 và xi lanh 8 của bơm đ ợc chọn lắp theo bộ.
Trên xi lanh 8 có lỗ cấp nhiên liệu a và lỗ dầu hồi c. Để điều chỉnh l ợng nhiên liệu
dùng thanh răng 7 làm thay đổi hành trình có ích của piston. Trên piston 6 có phay
rãnh xoắn b và rãnh thẳng để thay đổi l ợng cấp nhiên liệu.
b. Nguyên lý hoạt động
- Hành trình thứ nhất: Khi động cơ hoạt động trục khuỷu quay lai trục cam bơm cao
áp. Khi con lăn 2 tiếp xúc với bề mặt trụ của cam 1 thì piston 6 ở điểm chết d ới.
Piston bắt đầu đi lên lò xo 3 bị nén lại. Lúc này nhiên liệu ở trong xi lanh bắt đầu
tràn qua lỗ dầu cấp a và nhiên liệu bắt đầu bị nén lại. áp suất nhiên liệu bên trong
xi lanh bắt đầu tăng lên tới khi áp lực này thắng lực của lò xo 4 thì van cao áp 5 mở
ra, nhiên liệu đ ợc cấp lên đ ờng ống cao áp đi tới vòi phun để phun vào xi lanh
động cơ. Quá trình cấp cứ diễn ra cho đến khi mép xoắn b trùng với mép của cửa
tràn c do đó áp suất dầu giảm đột ngột dẫn đến lò xo 4 đóng van cao áp 5 lại, mặc
dù có thể lúc đó piston vẫn còn đi lên điểm chết trên.
- Hành trình thứ 2: Khi con lăn tiếp xúc bên kia vấu cam thì lò xo 3 giãn dần và kéo
theo piston 6 từ điểm chết trên đi xuống, lúc đầu tạo chân không trong xi lanh mà
ch a hút nhiên liệu vào, cho đến khi đỉnh piston mở cửa cấp a, và cửa hồi c nhiên

23

liệu trong khoang chứa lỗ nhập a và c đi vào xi lanh. Piston thực hiện hút nhiên liệu
cho đến khi đến ĐCD.
c. Ph ơng pháp điều chỉnh nhiên liệu
Đối với bơm cao áp loại điều chỉnh l ợng nhiên liệu bằng rãnh xoắn trên

piston thì l ợng nhiên liệu đ ợc cấp phụ thuộc hoàn toàn vào thời gian từ lúc bắt
đầu cấp đến lúc kết thúc cấp. Thời điểm bắt đầu cấp là thời điểm mép trên đỉnh
piston lằm trên mép trên của cửa cấp dầu. Thời điểm kết thúc cấp khi mép của rãnh
xoắn nằm trên mép d ới của cửa hồi dầu. Do vậy muốn thay đổi l ợng nhiên liệu
cấp cần thay đổi thời điểm kết thúc cấp bằng cách xoay piston. Thời gian cấp nhiên
liệu t ơng ứng với chiều cao của piston tính từ đỉnh tới mép của rãnh xoắn.



Hình 2.4 - Sơ đồ điều chỉnh l ợng nhiên liệu cấp

- Khi cửa cấp ở vị trí O thì nhiên liệu không đ ợc cấp tới vòi phun.
- Khi cửa cấp ở vị trí 1, l ợng nhiên liệu cấp tới vòi phun tăng dần.
- Khi cửa cấp ở vị trí 2, l ợng nhiên liệu tăng lên so với vị trí 1.
- Khi cửa cấp ở vị trí 3 l ợng cấp tăng lên so với vị trí 2.
4. Xác định một số thông số cơ bản của bơm cao áp
Các thông số của bơm cao áp đ ợc xác định theo l ợng nhiên liệu cấp cho chu
trình khi động cơ chạy ở chế độ thiết kế.
a. Thể tích nhiên liệu chu cấp cho một chu trình ở chế độ thiết kế

24

nl
e
ct
in
Neg
V

120

= (lít) (2-1)
Trong đó
g
e
- Suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ ; g
e
= 206 (g/K W.h)
Ne - Công suất thiết kế của động cơ ; Ne = 1760 KW
i - Số xi lanh của động cơ ; i = 8
- Số kì của động cơ ; = 4
n - Vòng quay của động cơ ; n = 775 (v/p)

nl
- Khối l ợng riêng của nhiên liệu ;
nl
= 850 (g/dm
3
)
Thay các giá trị vào công thức đ ợc kết quả : V
ct
= 0,0023 (lít)
b. Khoảng thời gian phun nhiên liệu (tính từ lúc bắt đầu đến lúc kết thúc cấp)
n
t
p
p
.
6

= (2-2)
Trong đó:
t
p
- Khoảng thời gian phun nhiên liệu

p
- Góc quay trục khuỷu từ lúc bắt đầu đến lúc kết thúc cấp; chọn
p
= 20
0

n - Vòng quay thiết kế động cơ; n = 775 (v/p)
Thay các giá trị vào công thức (2-2) đ ợc kết quả: t
p
= 0,004 (s)
c. L u l ợng trung bình của một tổ bơm
p
ct
tb
t
V
Q = (2-3)
Trong đó:
Q
tb
- L u l ợng trung bình của 1 tổ bơm
V
ct

-Thể tích nhiên liệu cấp cho 1 chu trình ở chế độ thiết kế; V
ct
= 0,0023 (lít)
t
p
- Khoảng thời gian phun nhiên liệu; t
p
= 0,004 (s)
Thay các giá trị vào công thức (2-3) đ ợc kết quả: Q
tb
= 0,575(lít/s)
d. Đ ờng kính của piston bơm cao áp

25

pcp
cct
p
C
nV
kd

.6.

4

= (2-4)
Trong đó:
V
ct

= 2300 (mm
3
)

C
- Hệ số cung cấp của bơm cao áp. Đối với hệ thống nhiên liệu dùng bơm cao áp
kiểu piston có rãnh xoắn thì
C
= 0,6 ữ 0,95; chọn
C
= 0,6
n
C
- Vòng quay của trục cam dẫn động bơm cao áp. Chọn dạng cam lồi thì sẽ có: n
C

= n/2 ( n là vòng quay thiết kế của động cơ)
k - Hệ số đánh giá tỷ số giữa tốc độ cung cấp cực đại với tốc độ trung bình
k = 1,2 - 1,5; chọn k = 1,2
C
p
- Tốc độ của piston bơm cao áp. Đối với động cơ không c ờng hoá thì
C
p
= 0,001. C
0
. n
C

Trong đó:

C
p
- Tốc độ của piston bơm cao áp với dạng cam dẫn là cam lồi thì C
0
= 1,5
do vậy C
p
= 0,581 (m/s) = 581( mm/s)
Thay các giá trị vào công thức (2-4) ta đ ợc kết quả: d
p
= 30,6(mm)
Chọn theo tiêu chuẩn thì d
p
= 30 (mm) tra bảng đ ợc hành trình piston S = 42 (mm)
e. Hành trình có ích của piston bơm cao áp
cp
ct
a
f
V
h
.
=
Trong đó:
V
ct
= 2300 (mm
3
)
f

p
- Diện tích đỉnh piston bơm cao áp f
p
= 700 (mm
2
)

c
- Hệ số cung cấp của bơm cao áp; chọn
c
= 0,6
Thay số vào công thức trên ta đ ợc h
a
= 7 (mm)
2.1.4.2. Tính Toán vòi phun
1. Công dụng
- Phun hết l ợng nhiên liệu do bơm cao áp cấp cho vòi phun.

26

- Điều khiển áp suất phun nhiên liệu, đảm bảo nhiên liệu phun vào buồng đốt ở
dạng s ơng mù, tạo điều kiện cho quá trình hoà trộn cháy tốt.
2. Kết cấu


11

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

1- Kim phun, 2- Bệ đầu phun, 3- Êcu tròng, 4- Thân vòi phun, 5- Đũa đẩy,
6- Đĩa lò xo, 7- Lò xo, 8- Vít điều chỉnh, 9,12- Rãnh hình vành khăn,
10- Nắp nối với ống nhiên liệu, 11- Đ ờng dẫn nhiên liệu
Hình 2.5 - Kết cấu vòi phun

Vòi phun là một trong những bộ phận quan trọng của hệ thống nhiên liệu.
Thực tế có rất nhiều loại vòi phun, việc sử dụng vòi phun loại nào phụ thuộc hoàn
toàn vào hệ thống nhiên liệu:
- Vòi phun nhiên liệu hở: Dùng cho hệ thống phun kiểu khí nén

- Vòi phun nhiên liệu kín dùng van: Dùng cho hệ thống phun nhiên liệu gián
tiếp.
- Vòi phun kiểu kín dùng kim phun: Loại này dùng cho hệ thống phun nhiên
liệu bằng bơm cao áp kiểu trực tiếp.
Trong 3 loại này thì loại thứ 3 có nhiều u điểm nhất. Hiện nay cũng đang
đ ợc sử dụng phổ biến.