Đồ án tốt nghiệp ngành cơ khí đóng tàu Thiết kế động cơ Diesel, công suất 2940 KW

0


Mở đầu

Sau 5 năm học tập tại tr ờng, để đánh giá lại kiến thức tr ớc khi b ớc vào thực
tiễn sản xuất, em đ ợc giao đề tài tốt nghiệp với nhiệm vụ: Thiết kế động cơ Diesel
2940 mã lực.
Đ ợc sự h ớng dẫn của cô giáo Đặng Khánh Ngọc và những kiến thức đã đ ợc
học tập trong tr ờng, kết hợp với thực tiễn sản xuất, sau 3 tháng làm việc em đã
hoàn thành đề tài tốt nghiệp với những nội dung chủ yếu bao gồm các phần sau:

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Đóng Tàu: TRNG I
HC HNG HI VIT NAM. c bit l cụ giỏo ng Khỏnh Ngc ó tn tỡnh
giỳp giỳp Em trong quỏ trỡnh thc hin ti. Do bn than cha cú kinh nghim
thc t nờn ti ca En cũn nhiu thiu sút mong cỏc thy cụ ch bo, phờ bỡnh
ti ca Em c hon thin.
Em xin chõn thnh cm n.








1


Mở đầu
1. Tính thời sự của đề tài.

Sự phát triển của ngành giao thông vận tải đánh giá tốc độ tăng tr ởng và phát
triển nền kinh tế quốc gia. Vì vậy, giao thông vận tải giữ một vai trò cực kì quan
trọng. Trong bối cảnh đất n ớc ta hiện nay, giao thông vận tải càng khẳng định vai
trò của nó và đang phát triển không ngừng, hoà chung với sự phát triển đó ngành
vận tải thuỷ cũng đã và đang khặng định mình bằng những đội tàu lớn và hiện đại.
Trên đa số các con tàu v ợt đại d ơng cũng nh các tuyến trong n ớc, động cơ
Diezel vẫn đang đ ợc sử dụng làm động cơ chính và việc khai thác hệ động lực tàu
thủy đã áp dụng nhiều thành tựu khoa học kỹ thuật. Ngày nay công nghiệp đóng
tàu phát triển một cách nhảy vọt. Tuy nhiên phần lớn các động cơ Diezel đều nhập
từ n ớc ngoài, để đặt nền móng cho nghành công nghiệp chế tạo động cơ Diesel thì
việc thiết kế một động cỏ để đặt đ ợc các chỉ tiêu về kinh tế, kỹ thuật là vô cùng
quan trọng.
Tr ờng Đại Học Hàng Hải Việt Nam là một tr ờng chuyên nghiệp đào tạo
một bộ phận kỹ s đóng tàu và có nhiệm vụ trang trí, sửa chữa hệ thông động lực
tàu thủy. Sau mỗi khoá học, mỗi sinh viên đ ợc nhận một đề tài tốt nghiệp nhằm
nghiên cứu tổng hợp lại những kiến thức đã đ ợc học tập ở tr ờng, làm nâng cao
chất l ợng đội ngũ cán bộ kỹ thuật phục vụ tốt cho ngành .
2.Mục đích của đề tài.
Thiết kế động cơ Diesel, công suất 2940 KW.
3.Nội dung chính của đề tài.
Mỏ đầu
Ch ơng 1. Lựa chọn ph ơng án thiết kế.
Ch ơng 2. Thiết kế động cơ Diesel, công suất 2940 KW.
2.1 Tính các thông số của chu trình công tác động cơ Diesel
2.2 Tính toán động học và động lực họccủa cơ cấu biên khuỷu.
2.3 Tính kết cấu, nghiệm bền một số chi tiết
2

2.4 : Tính toán các hệ thống phục vụ.
Ch ơng 3. : Kết luận.

4. Ph ơng pháp nghiên cứu của đề tài.
- Về lý thuyết sử dụng các tài liệu liên quan đến thiết kế động cơ Diesel của
thầy Lê Viết L ợng.
- ứng dụng phần mềm tính chu trình công tác để tính toán các thông số kỹ
thuật của động cơ, động học và động lực học của các hệ thống nhằm phục vụ cho
việc tính toán thiết kế động cơ Diesel.
5. Phạm vi nghiên cứu của đề tài.
Đề tài chỉ giới hạn trong việc thiết kế động cơ Diesel nhằm đáp ứng đ ợc
công suất 2940 KW để thỏa mãn nhu cầu thiết kế.
6. í nghĩa khoa học và thực tiễn.
Đề tài có ý nghhĩa khoa học và thực tiễn, nghiên cứu và làm rõ đ ợc ph ơng
pháp thiết kế động cơ Diesel nói chung và động cơ Diesel tàu thủy nói riêng đáp
ứng đ ợc công suất thiết kế và điều kiện làm việc của động cơ. Từ đó có thể áp
dụng vào sản xuất và cải tiến nâng cao đ ợc chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật cho động cơ
và làm giảm thiểu h hỏng các chi tiết. Đề tài có thể làm tài liệu tham khảo cho các
sinh viên trong ngành cơ khí đóng tàu và các nghành cơ khí khác.





MC LC
Ch ơng, mục
Tên ch ơng mục
Trang số


Nhiệm vụ th

Mục lục



Bảng quy đổi đơn vị



Mở Đầu


1.

Lí do chọn đề tài


2.

Mục đích


3.

Ph ơng pháp và phạm vi nghiên cứu


4.

ý

nghĩa thực tế của đề tài nghiên cứu

Chng 1.
lựa chọn ph/ơng
án thiết kế
.


Chng 2.
thiết kế động cơ diesel, công suất 2940 kw


2.1.

Tính các thông số của chu trình công tác động cơ
Diesel

2.1.1.

Lựa chọ công thức tính.

2.1.2.

kết quả tính toán


2.2

Tính toán động học và động lực học của cơ cấu biên
khuỷu

2.2.1.

Tính toán động học của cơ cấu biên khuỷu


2.2.2.

Tính toán động lực học của cơ cấu biên khuỷu


2.2.2.1.

Tính các thông số cần cho tính toán.


2.2.2.2.


Xây dựng đồ thị công.


2.2.2.3.

Lập bảng biểu diễn các hành trình công tác.


2.2.2.4.

Tính g

óc công tác và lựa chọn các thứ tự làm việc của
các xilanh.

2.2.2.5.

Đồ thị tổng lực tiếp tuyến.


2.2.2.6.

Đồ thị lực tác dụng lên cổ biên.


2.2.2.7.

Đồ thị lực tác dụng lên bạc biên.



2.2.2.8.

Đồ thị lực tác dụng lên cổ trục.


MC LC
Ch ơng, mục
Tên ch ơng mục
Trang số

2.2.2.9.

Đồ thị mài m
òn.


2.2.3

Tính toàn bánh đà.


2.3.

Tính toán kết cấu và nghiệm bền một số chi tiết cơ
bản của động cơ.

2.3.1.

Tính toán kết cấu và nghiệm bền một số chi tiết cố
định của động cơ.

2.3.2.

Tính toán kết cấu và nghiệm bền một số chi tiết
chuyển động của động cơ

2.4.

Tính chọn thiết bị

một số hệ thống phục vụ động cơ.

2.4.1.

Hệ thống nhiên liệu.


2.4.2.

Hệ thống bôi trơn.


2.4.3.

Hệ thống làm mát.


2.4.4.

Hệ thống khởi động.


Ch ơng 3.


Kết luận và kiến nghị.



TI LIU THAM KHO

Các bản vẽ dùng để báo cáo tốt nghiệp




3







ch ¬ng 1
Lùa chän ph ¬ng ¸n thiÕt kÕ

4

Để đáp ứng nhu cầu vận chuyển hàng hoá trong và ngoài ớc ngày càng phát
triển, ngoài đ ơng sắt, đ ờng bộ, đ ờng hàng không thì đ ờng biển đóng một vai
trò hết sức quan trọng, do vậy để phát triển ngành Hàng Hải Việt Nam thì việc
đóng mới, sửa chữa, nâng cấp một con tàu vận chuyển là rất cần thiết.
Khi đóng mới một con tàu thì ng ời ta quan tâm đến công suất, tính an toàn,
tính kinh tế, khả năng quay vòng cho mỗi chuyến đi của con tàu.
ở đây nhiệm vụ là thiết kế động cơ 2940 kw. Để đáp ứng nhiệm vụ đó là phải
chọn ra động cơ mẫu. Ta xét một số động cơ đ ợc chọn là:
Một số loại động cơ đã đ ợc sản xuất :
1. Động cơ của hãng BURMEISTER AND WAIN chế tạo.
Ký hiệu: K98FF;
Công suất có ích Ne = 4100 cv;
Đ ờng kính xilanh D = 98 cm;
Hành trình của piston S = 200 cm;
Số xilanh i = 6 -12;
Vòng quay của động cơ n = 104 (v/p);
Động cơ tàu thủy đảo chiều truyền động trực tiếp, hai kỳ có con tr ợt, kiểu động
cơ chữ F.
2. Động cơ của hãng MITSUBISHI (Nhật) chế tạo
Ký hiệu : UEC 85/180;
Công suất có ích Ne = 3800 cv;
Đ ờng kính xilanh D = 850 cm;
Hành trình của piston S = 180 cm;
Số xilanh i = 9;
Vòng quay của động cơ n = 118 v/p;
Động cơ Điesel hai kỳ, tăng áp bằng tuabin khí xả, quét thẳng qua xupáp, có
guốc tr ợt.
3. Động cơ của hãng MAN (Đức chế tạo)

Ký hiệu: KSZ105/180;
Công suất có ích Ne = 4000 cv;
5

Đ ờng kính xilanh D = 105 cm;
Hành trình của piston S = 180 cm;
Số xilanh i = 6-12 V;
Vòng quay của động cơ n = 106 v/p;
Động cơ hai kì, có bàn tr ợt, tăng áp, không khí đ ợc làm mát.
4. Động cơ của hãng KOBEDIESEL-MITSUBISHI (Nhật chế tạo)
Ký hiệu:UET 45/75C;
Công suất có ích Ne= 3800 cv;
Đ ờng kính xilanh D = 450 mm;
Hành trình của piston S = 7500 mm;
Số xilanh i = 6;
Vòng quay của động cơ n = 17 v/p;
Động cơ Điesel hai kỳ, tăng áp bằng tuabin khí xả, quét thẳng qua xupáp, không
có guốc tr ợt.
5. Động cơ của hãng SULZER (Thụy sĩ)
Ký hiệu: RND105;
Công suất có ích Ne = 4000 cv;
Đ ờng kính xilanh D = 105 cm;
Hành trình của piston S = 180 cm;
Số xilanh i = 10;
Vòng quay của động cơ n = 108 v/p;
Là động cơ hai kì, tăng áp bằng tua bin khíu xả, có guốc tr ợt.
6. Động cơ của hãng HANSHIN (Nhật).
Ký hiệu: LH46LA;
Công suất có ích N = 2942 kw;
Đ ờng kính xilanh D = 460 mm;

Hành trình của piston S = 880 mm;
Số xilanh i = 6;
Vòng quay của động cơ n = 210 v/p;
Là động cơ 4 kì, tấp tốc, tăng áp bằng tua bin khí xả.
6

Sau khi tham khảo một số động cơ trên ta thấy động cơ của hãng HANSHIN
chế tạo có nhiều u điểm phù hợp với nhiệm vụ thiết kế.
- Đáp ứng đ ợc công suất.
- Là động cơ thấp tốc không cần hộp số để giảm tốc , kích th ớc nhỏ gọn dễ
bố trí trong buồng máy.
- Là động cơ tăng áp , kích th ơc nhỏ gọn nên công suất lớn.
- Hiệu suất cao.













- 7 -

Ch ¬ng 2
ThiÕt kÕ ®éng c¬ diezel
c«ng suÊt 2940 kw



- 8 -


2.1. Tính các thông số của chu trình công tác động cơ Diezel.
2.1.1. Lựa chọn công thức tính,
2.1.1.1. Cơ sở lý thuyết mô phỏng chu trình công tác của động cỏ Diesel
theo ph ơng pháp cân bằng năng l ợng.
Chu trình công tác của động cơ Diesel hoàn thành sau hai vòng quay của
trục khuỷu đối với động cơ 4 kì và hoàn thành sau một vòng quay của trục
khuỷu đối với động cơ 2 kì. Tuy nhiên trong một chu trình công tác cả hai
loại động cơ đều phải thực hiên các quá trình là nạp, nén, nổ, xả. Để chọn
ph ơng án thiết kế, để khi chế tạo, cũng nh trong quá trình khai thác đều

phải tính chu trình công tác của nó. 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.
2.1.1.2. Đánh giá ph ơng pháp cổ điển tính chu trình công tác của động
cơ Diesel.
Để tính chu trình công tác của động cơ cần nghiên cứu, tính toán các quá
trình công tác : nạp, nén, cháy, giãn nở trên cơ sở nhiệm vụ th thiết kế và
động cơ mẫu lựa chọn. Sau khi tính các quá trình sẽ xác định đ ợc thông số
môi chất tại các điểm đặc tr ng. Trong quá trình tính chu trình 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
trong quá trình nén và giãn nở là n
1
, n
2
; 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 trong
- 9 -


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 phần tử vv
Nh vậy, để xây dựng đồ thị công trên hệ toạ độ p-V và p- phải xác định
đ ợc các thông số môi chất tại các điểm đặc tr ng, sau đó dựa vào các

ph ơng trình đa biến và ph ơng trình trạng thái của khí lý t ởng, đồng thời
kết hợp với vòng tròn brích. Trên cơ sở các đồ thị đã xây dựng tính đ ợc các
thông số chỉ thị và có ích của động cơ, Ví dụ : muốn tính áp suất chỉ thị
trung bình của chu trình phải sử dụng công thức sau đây :
)]
1
1
1(
1
1
)
1
1(
1
.
)1.([
1
1
.
1
1
12
2





+

=

nn
a
ai
nn
pp






Từ công thức trên ta thấy rõ, để xác định
i
p

cần phải chọn hoặc tính gần
đúng các thông số: ,,,,,n
1
,n
2
, trong khi đó tất cả các tài liệu đều
không h ớng dẫn rõ đối với loại động cơ cụ thể nên chọn các hệ số trong
giới hạn nào, hoặc cho giới hạn quá rộng, nên việc chọn hệ số không đảm
bảo chính xác, đặc biệt là những ng ời hiểu không sâu môn học này .
Từ cách tính chu trình công tác của động cơ Diesel theo ph ơng pháp cổ
điển có thể rút ra nhận xét sua đây :
- Không xét đ ợc ảnh h ởng của góc phối khí, thực ra trong quá trình

công tác của động cơ góc phối khí không trùng với các điểm chết .
- Sử dụng quá nhiều hệ số lựa chọn nên không đảm bảo độ chính xác .
- Không xét ảnh h ởng của góc phun sớm, quy luật cấp nhiên liệu,
l ợng nhiệt trao đổi và n ớc làm mát .
- Không xét đ ợc các thông số động học quá trình cháy và các mối
quan hệ giữa các thông số này với lực tác dụng nên 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
- 10 -


tính chóng chóng và nghiên cứu ảnh h ởng của điều kiện khai thác tới chất
l ợng làm việc của động cơ .
2.1.1.3. Ph ơng pháp cân bằng năng l ợng.
Ph ơng pháp tính nhiệt động cơ đốt trong do B.I .Grinhevecki soạn thảo
năm 1906 và đ ợc E.K. Mazing hoàn thiện tiếp. Ph ơng pháp kinh điển nổi
tiếng của Grinhevicki và Mazing đ ợc sử dụng rộng rãi trong quá trình
nghiên cứu các chu trình thực tế của động cơ đốt trong và đến nay vẫn đ ợc
sử dụng trong thực tế kĩ thuật và quá trình học tập .
Tuy nhiên, để nghiên cứu sâu các quá trình công tác của động cơ và để dự
đoán thì ph ơng pháp này ch a đủ hoàn thiện do các giả thiết đề ra khi thiết
kế nh đã nhận xét ở mục 2.1 .
Động cơ tàu thuỷ hiện đại chủ yếu là động cơ tăng áp bằng tuabin khí xả.
Các quá trình công tác trong xi lanh của động cơ và trong tuabin máy nén có
mối liên hệ và phụ thuộc lẫn nhau, điều đó ph ơng pháp Grinihevicki và
Mazing không tính đến. Ph ơng pháp không thể xác định đặc tính thay đổi
các thông số chủ yếu của quá trình công tác của động cơ theo góc quay trục
khuỷu, phụ thuộc vào động lực học toả nhiệt, trao đổi nhiệt với thành xilanh
và các thông số điều chỉnh. Vì vậy, phải soạn thảo mô hình toán học mà 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 diễn biến của quá trình công tác, tính kinh tế
và tính tin cậy công tác của động cơ. Mô hình toán học các quá trình công
tác của động cơ là hệ các ph ơng trình vi phân khép kín. Khi các điều kiện
ban đầu và điều kiện biên đã cho, đối với thời điểm bất kì của chu trình hệ
ph ơng trình này cũng mô tả mối quan hệ giữa đặc tính thay đổi các thông
số quá trình công tác với sự thay đổi năng l ợng, khối l ợng và các thông số
kết cấu của động cơ .
- 11 -


Hiện nay hai ph ơng pháp tính quá trình công tác của động cơ đốt trong
đ ợc sử dụng rộng rãi : Ph ơng pháp cân bằng thể tích do H.M.Glagolev
thiết lập và ph ơng pháp cân bằng năng l ợng do B.M.Gôntrar thiết lập.
Trong đề tài 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 xilanh tại thời điểm bất kỳ đều ở trạng thái cân bằng, nghĩa là một hệ
thống nhiệt cân bằng. Nếu bỏ sự rò lọt môi chất qua xécmăng 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
xilanh trong các quá trình của chu trình luôn luôn tuân theo định luật nhiệt
động thứ nhất : nhiệt l ợng cấp cho chu trình dùng để thay đổi năng l ợng và
sinh công. D ới đây ta xét ph ơng trình cân bằng năng l ợng của môi chất
trong thể tích làm việc của xilanh trong quá trình nén, cháy và giãn nở.
Ph ơng trình cân bằng năng l ợng của môi chất đ ợc biểu diễn qua công
thức:

d
dL
d
dU

d
dQ
+= (2.1)
d
dQ
: l ợng nhiệt cấp cho môi chất theo góc quay của trục khuỷu ,
(kj/
0
TK)
d
dU
: Độ thay đổi nội năng của môi chất theo góc quay của trục khuỷu ,
(kj/
o
TK).
d
dL
: Độ thay đổi công theo góc quay của trục khuỷu , (kj/
o
TK)

: Góc quay của trục khuỷu thay đổi từ 0 đến
ct
(kết thúc chu trình ),
đ ợc tính từ điểm chết trên lúc bắt đầu quá trình nạp ( để đơn giản hoá nh ng
không ảnh nhiều đến kết quả tính trong đề tài chỉ xét quá trình của chu trình
từ 180
0
đến 540
0

),rad.
- 12 -


Từ sự phụ thuộc nhiệt động học đã biết có thể tính biến thiên nôi năng của
môi chất theo công thức sau :

d
dm
u
d
dT
Cm
d
dU
v
+= (2.2)
Độ thay đổi công tính theo công thức :

d
dV
p
d
dL
.= (2.3)
m: là khối l ợng môi chất công tác , kg .
C
v
: nhiệt dung riêng đẳng tích , kj/kg.K .
u: nội năng đơn vị của môi chất công tác , kj/kg .

p: áp suất môi chất trong xilanh , kpa .
V: thể tích môi chất công tác ( thể tích công tác của xilanh ứng với vị chí
piston - tính theo công thức mục 2.3 ) , m
3
.
Nội năng dơn vị của môi chất công tác :


=
o
v
dTCu . (2.4)
a). Sự thay đổi các thông số môi chất trong quá trình nén.
Trong quá trình nén không có quá trình trao đổi khí nên trong ph ơng
trình(2.2) 0. =
d
dm
u , môi chất công tác gồm không khí sạch và khí sót, nên
(2.2) có dạng :

d
dT
vmcm
d
dU
vrrvkk
).( += (2.5)
C
v
=a+b.T: nhiệt dung riêng của không khí , a=19,88 ; b=0,00275 .

C
vr
=a+b.T: nhiệt dung riêng của sản vật cháy sạch , a=21,81 ;
b= 0,003853 .
Phần lớn thời gian của quá trình nén các chi tiết tiếp súc với môi chất
công tác truyền nhiệt cho môi chất, nhiệt l ợng này có thể tính theo công
thức :
- 13 -





d
d
FTTa
d
dQ
d
dQ
vxkcvxvk
w
.) ( ==
(2.6)

vk
: hệ số truyền nhiệt từ vách tới môi chất theo góc quay của trục khuỷu
và bề mặt trao đổi nhiệt đ ợc tính nh

mc

, KW/m
2
K .
T
vx
: nhiệt độ trung bình vách sau một chu trình, ở chế độ định mức
T
vx
=400 480
o
K .
F
vx
: diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, tinhs theo (2.10), m
2

: thời gian trao đổi nhiệt, s .
với
nd
d
.6
1
=


nên .

n
F
TTa

d
dQ
d
dQ
vx
kcvxvk
w
.6
) ( ==

(2.7)
b). Sự thay đổi các thông số môi chất trong quá trình cháy.
Quá trình cháy bắt đầu khi góc quay trục khuỷu

bằng góc bắt đầu
cháy nhiên liệu

, góc đ ợc xác định:

ifs
+= (2.8)

fs
: góc phun sớm nhiên liệu, lấy theo lý lịch động cơ,
0
TK;
i
: góc cháy trì hoãn, tính theo 2.23,
0
TK.

Sản vật cháy tạo thành làm tăng khối l ợng môi chất công tác theo công
thức:

d
dx
g
d
dm
ct
= (2.9)

g
ct
: l ợng nhiên liệu phun vào xi lanh trong một chu trình , (kg/ch.t)

d
dx
: Tốc độ cháy t ơng đối đ ợc tính theo công thức thực nghiệm I.I Vibe
(2.47)
Trong quá trình cháy khối l ợng không khí giảm xuống :
G
bt
=G
b
-G
o
.g
ct
.x (2.10)
- 14 -

Và l ợng sản vật cháy tăng nên :
m
kcx
=m
r
+g
ct
x+G
o
.g
ct
.x (2.11)
x=


d
d
dx
o
.

: % nhiên liệu cháy ứng với thời điểm xét .


+
+
++= dT
CG

CmCG
d
dx
g
d
dT
CmCG
d
dU
vkcbx
vkckcxvkkbx
ctvkckcxvkkbx
.
.
).(
.

(2.12)
L ợng nhiên liệu cấp cho môi chất công tác bằng tổng l ợng nhiệt nhận
đ ợc từ vách và nhiệt l ợng do cháy l ợng nhiên liệu cấp cho chu trình .

d
dQ
d
dQ
d
dQ
xw
+=
(2.13)

L ợng nhiệt toả ra do cháy phần nhiên liệu cấp ,kW/kg .

d
dx
gQ
d
dQ
ctH
x
=
(2.14)
d
dQ
w
- tính theo (2.7 )
c). Sự thay đổi thông số các môi chất trong quá trình giãn nở.
Trong quá trình giãn nở kết thúc quá trình cấp nhiên liệu vào trong xilanh
nên số hạng thứ hai vế phải (2.12) bằng không, còn khối l ợng sản vật cháy
không đổi cho đến khi mở cửa thải.Trong quá trình này phần nhiệt truyền từ
môi chất cho vách theo công thức (2.7) .
Dựa vào ph ơng trình nói 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 .
Nh vây, trên cơ sở ph ơng trình định luật nhiệt động thứ nhất sẽ xác định
đ ợc áp suất và nhiệt độ môi chất công tác tại thời diểm bất kì của chu trình,
đó là cơ sở tính các thông số công tác của chu trình .
Tuy nhiên vận dụng ph ơng pháp này vào việc xây dựng mô hình và lập
ch ơng trình tính không phải đơn giản .
- 15 -

Với ph ơng pháp này còn một số tồn tại: ch a tính đến ảnh h ởng của
chất l ợng phun s ơng và hoà trộn hỗn hợp công tác; trạng thái kỹ thuật
động cơ nói chung và sự hao mòn các chi tiết chuyển động t ơng đối với
nhau; loại dầu bôi trơn; mối quan hệ giữa chất l ợng chu trình công tác với
hệ thống tự động điều chỉnh cấp nhiên liệu; mối quan hệ phụ tải và mô men
quay .
2.1.1.4. Lựa chọn công thức bổ sung tính chu trình công tác của động cơ
diesel theo ph ơng pháp cân bằng năng l ợng :
Để xây dựng thuật toán và lập ch ơng trình tính trên cơ sở ph ơng
trình(2.1) thì ngoài công thức chủ yếu trong mục 2.2 cần lựa chọn bổ sung
các công thức trong các tài liệu về tính chu trình công tác của động cơ. Sau
đây là công thức bổ trợ :
-Tốc độ trung bình của piston : cm, m/s ;
C
m
=
30
.ns
(2.15)
s: là hành trình của piston, m ;
n: là vòng quay của động cơ, v/p;
-Tốc độ lớn nhất của piston khi nạp qua xupap nạp,m/s ;
C
w
=1,57.C
m
.k (2.16)
k: Tỷ số diện tích đỉnh piston và diện tích lỗ xupap (chọn theo kết cấu của
động cơ ).
-Nhiệt trị thấp của nhiên liệu : QH,kj/kg :

Q
H
=100.[339.C+1256H-109(O-S)]-r
w
.(9H+W) (2.17)
r
w
=2512kj/kg : nhiệt ẩn hoá hơi của n ớc trong nhiên liệu ứng với áp suất
101.2 kpa .
C,H,O,S,W : hàm l ợng cácbon, hidro, oxi, l u huỳnh n ớc có trong
thành phần nhiên liệu, % :
Với dầu điesel : C=0,87;H=0,126,O=0,004 .
- 16 -


-Nhiệt độ không khí sau máy nén tăng áp, oK :

k
k
n
n
KoK
TT
1
.

= (2.18)
K
: tỷ số tăng áp lấy theo lý lịch của động cơ,hoặc động cơ mẫu :
n

k
=1,5 2 chỉ số nén đa biến trong máy nén .
-Nhiệt độ không khí tr ớc xupáp nạp, oK :
T
s
=T
k
-T
lm
(2.19)
T
lm
: độ giảm nhiệt độ trong bầu làm mát không khí tăng áp,độ :
-áp suất không khí tr ớc xupap nạp,Mpa :

lm
PPP
kks
= . (2.20)
lm
P : độ giảm áp suất trong bấu làm mát không khí tăng áp,Mpa :
p
k
: áp suất tăng áp lấy theo lý lịch động cơ hoặc động cơ mẫu ,Mpa :
-áp suất không khí cuối quá trình nạp,Mpa :

s
w
sa
Tw

C
PP
2
2
.576
100000.
= (2.21)
w: hệ số tốc độ
-Hệ số khí sót :

) (
).(
rar
r
r
PPT
PtT


+
=

(2.22)
: tỷ số nén lý thuyết (lấy theo lý lịch động cơ hoạc động cơ mẫu);
p
r
,T
r
: áp suất và nhiệt độ khí sót, kpa,
0

K;
t = 5 10
o
C: độ tăng nhiệt độ không khí do tiếp xúc với vách, độ;
-Nhiệt độ không khí cuối quá trình nạpTa, oK :

r
rrs
a
TtT
T


+
++
=
1
.
(2.23)
-Diện tích bề mặt xung quanh thể tích xilanh công tác khi piston ở
điểm chết d ới Fo, m
2
:
- 17 -


F
0
=
1

.
.
2
.
2

+


SDD
(2.24)
D,S : đ ờng kính xilanh và hành trình piston, m;
-Diện tích bề mặt các chi tiết tiếp xúc với môi chất công tác F
vx
, m
2
;
F
vx
=F
0
+ )sin.5.0cos1.(
2
+SD (2.25)


: góc quay của trục khuỷu,rad.
-Thể tích công tác của xilanh V
s
,m

3
:
SDV
s

4
1
2
= (2.26)
-Thể tíc buồng cháy V
c
, m
3
:

1
1
.

=

sc
VV (2.27)
-Thể tích công tác xilanh khi piston ở điểm chết d ới V
a
,m
3
:
V
a

=V
c
+V
s
(2.28)
-Thể tích công tác của xilanh tính theo góc quay của trục khuỷu, m
3
:

22
sin 5,0cos1.( 25,0 ++= SDVV
cvx
) (2.29)

-Khối l ợng riêng không khí sau máy nén:
s
,kg/m
3

s
s
s
TR
P
.
= ( 2.30)
R=278(kj/kmol.K)- hằng số của không khí .
-L ợng không khí khô cần thiết để đốt cháy một kg nhiên liệu L
o
,

kmol/kg .
)
32
0
32412
.(
21,0
1
0
++=
SHC
L (2.31)
-Hệ số nạp không kể đến hàm l ợng ẩm :

rsa
sa
n
PT
TP



+
=
1
1
.
.
.
.

1
(2.32)

- 18 -


-Hệ số nạp kể đến hàm l ợng ẩm :

d
r
r
rnt
++
+
=



1
1
. (2.33)
n
B
G
G
d = : hàm l ợng ẩm là tỷ số giữa l ợng không khí khô và hơi n ớc nạp
vào trong xilanh trong một chu trình .
-L ợng không khí thực tế nạp vào trong xilanh trong một chu trình
không kể đến hàm l ợng ẩmcủa không khí, kg :

snsB
VG = (2.34)
-Hệ số d l ợng không khí không kể đến hàm l ợng ẩm :

0
.G
g
G
ct
B
= (2.35)
g
ct
: l ợng cấp nhiên liệu cho động cơ trong một chu trình, kg;
G
o
: l ợng không khí lý thuyết để đốt cháy một kg nhiên liệu, kg/kg :

00
.LG
s
à=

s
à =28,9 kg/kmol- khối l ợng của kmol không khí .
-Hệ số d l ợng không khí có kể đến hàm l ợng ẩm :
d
t
.
61,11+

=

(2.36)
-Thời gian cháy trì hoãn
i
tính theo công thức V.X.Xemenov :

294,0
635,0
.).(
4,8217
kfkfm
i
TPC
= (2.37)
T
kf
: nhiệt độ môi chất trong xilanh lúc bắt đầu phun nhiên liệu,
o
K;
P
kf
: áp suất môi chất trong xilanh lúc bắt đầu phun nhiên liệu, kPa;
-Hệ số truyền nhiệt từ khí đén vách ống lót xilanh
cm

cm
có thể áp dụng theo các công thức khác nhau phụ thuộc vào loại động
cơ. Tất cả các công thức tính hệ số truyền nhiệt từ khí đến vách ống lót
- 19 -

xilanh đều là công thức thực nghiệm ứng với các điều kiện cụ thể, vì vậy
không thể sử dụng công thức chung áp dụng cho các loại động cơ .
D ới đây là một công thức thực nghiệm tính hệ số truyền nhiệt từ khí đến
vách ống lót xilanh :
+ Công thức Nuxent áp dụng cho động cơ Diesel thấp tốc :

vxkc
vxkc
mkckcmc
TT
TT
CTP


++=
44
3
2
)01,0()01,0(
.362,0)24,11(.151.1 (2.38)
+ Công thức của Iaklittr sử dụng cho các động cơ cao tốc:
)24,11(3,228.922,0
1
m
n
kckc
n
mc

CTP +=


(2.39)

(
)
kc
Tn
5
10.1685,0394,0

+=
+ Công thức tính của Briling- Nuxent dùng cho các động cơ thấp tốc có
tăng áp:

vxkc
vxkc
mkckcmc
TT
TT
CTp


++=
44
3
2
)01,0()01,0(
.362,0)185,045,2( 151,1 (2.40)

+Công thức của Briling sử dụng cho các động cơ cao tốc:
)185,045,2(.151,1
2
mkckcmc
CTp += (2.41)
+Công thức của Haizenbek sử dụng cho các động cơ Diesel tàu thuỷ:

kckcmmc
TPC 47,2
3
= (2.42)
Đối với động cơ Diesel tăng áp sử dụng công thức sau đây:

4
3
44,2
kkckcmmc
PTPC=
+Công thức của Xemnov sử dụng cho động cơ hai kỳ và bốn kỳ:

4
4
3
3
12,1 DCTP
mkckcmc
= (2.43)
+ Công thức của Pflaum sử dụng cho các động cơ có buồng cháy tr ớc:

)1(57,23)(

)( 163,1
).416,05,1(
'
m
C
m
mkckcmc
eCf
CfTPK

=
=
(2.44)
Dấu + ứng với C
m
>3,6m/s:
- 20 -


Đối với lắp xi lanh và piston: K

= 1,1 + 0,366.
0
0
P
PP
k


Đối với ống lót xilanh: K

= 0,36 + 0,12.
0
0
P
PP
k


+ Pflaum cũng đ a ra công thức sau đây đối với động cơ bốn kỳ có buồng
cháy phân cách và tăng áp:

[
]
m
C
kckckmc
CTPpf
m
025,07,5.2,52,6 ).(
2
)1,0(
+=

(2.45)
Đối với nắp xilanh và piston :f(p
k
)=2,3.p
k
1/4

;
Đối với ống lót xilanh cũng có thể áp dụng đối với các bề mặt tiếp xúc
với khí cháy các loại động cơ có buồng cháy thống nhất : f(p
k
)=0,8.p
k
2/3
;
Trong các công thức trên:

mc
- Hệ số truyền nhiệt từ khí đến vách ống lót xilanh, KW/(m
2
.K);
P
kc
, P
k
, P
0
- áp suất khí cháy, không khí tăng áp, không khí môi
tr ờng, MP
a
;
C
m
- tốc độ trung bình piston, m/s;
D - Đ ờng kính xilanh, m;
T
kc

,T
vx
-Nhiệt độ khí cháy,nhiệt độ trung bình của vách ống lót
xilanh,K.
- Bề mặt trao đổi nhiệt tức thời của vách với môi chất công tác,m
2
:
F
w
= )
1
.(.
2
.
2




S
S
D
D
+

+ (2.46)
S

- Độ dịch chuyển tức thời piston,m:

S






+=


2
sin.
2
cos1.5,0 S
( 2.47)
- L ợng nhiệt toả ra và tốc độ toả nhiệt theo công thức Vibe:
Phần trăm nhiệt l ợng toả ra theo góc quay trục khuỷu x:
- 21 -

=
+1
0
.908,61
m
z
espx


(2.48)
Tốc độ toả nhiệt theo góc quay trục khuỷu:

+

+
=
+1
0
908,6exp
1
908,6
m
zz
x
m
d
d




(2.49)

m- chỉ số đặc tr ng cho sự phát triển sự cháy chọn theo thực nghiệm
m=0,3
ữ

1;

Z
- thời gian cháy ;13050
0
GQTK
Z
ữ=


- góc cháy ban đầu ;
ifs
+=

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

i
- thời gian cháy trễ của nhiên liệu.
- áp suất chỉ thị trung bình p
i
, Mpa:
p
i
=L
i
/V
s
(2.50)

L
i
- công chỉ thị của chu trình,kj.
- Công suất chỉ thị, kw:
M
i
=i.V
s
.p
i.
.n.z/60 (2.51)
i-Số xilanh;
z- hệ số kỳ.
- Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị, kg/(kw.h):
G
i
=
iss
ns
PTLR
p

3600
0
à

( 2.52)
- Hiệu suất chỉ thị:

nsh

iss
i
PQ
PTLR

à



0
= (2.53)
- áp suất có ích trung bình p
e
, Mpa:
- 22 -


p
c
= p
i
-p
m
(2.54)
p
m
=a
m
+b
m

C
m
- ¸p suÊt tæn hao c¬ giíi, Mpa;
§èi víi ®éng c¬ cã buång ch¸y thèng nhÊt: a
m
= 0,088; b
m
= 0,0118;
§èi víi ®éng c¬ cã buång ch¸y tr íc: a
m
= 0,103; b
m
= 0,0135;
§èi víi ®éng c¬ buång ch¸y ph©n c¸ch: a
m
= 0,103; b
m
= 0,015.
- HiÖu suÊt c¬ giíi
m
η :

m
η =
i
e
P
P
(2.55)
- C«ng suÊt cã Ých Ne (kw):

N
e
=
smn
i
s
H
s
L
Q
zniV
ρηη
α
η
µ

.
.
60

0
(2.56)
HoÆc
mie
NN η.=
- SuÊt tiªu hao nhiªn liÖu cã Ých g
e
, kg/(kw.h):
g
e

=
miS
sn
pL ηαµ
ρη

3600
0
hoÆc g
e
= g
i
/
m
η (2.57)
- HiÖu suÊt cã Ých:

ctH
e
gQ .
1000.3600
=η hoÆc
mie
ηηη .= (2.58)
-SuÊt tiªu hao nhiªn liÖu trong 1 giê B
h
, kg/h
B
h
=

ss
ss
TLR
npinzV

60
0
αµ
η
hoÆc B
h
= g
e
. N
e
(2.59)