Đồ án thiết kế hệ thống phân phối khí của động cơ diesel bốn kỳ công suất 2500 kw full five

L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
CHƯƠNG I
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
9
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
1.1. Lựa chọn công thức và chương trình tính
Phần tính nhiệt của động cơ sử dụng chương trình tính tự động theo phần
mềm QB. Tên đầy đủ là: “ Chương trình tính nhiệt độ trung bình của chu trình công
tác”, thuộc đề tài nghiên cứu khoa học: “Nghiên cứu mô phỏng chu trình công tác
của động cơ Diesel”. Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Lê Viết Lượng.
1.1.1. Các thông số nhập vào chương trình
− Nhiệt độ môi chất đầu quá trình nạp P
a
= 195.000 (Pa);
− Nhiệt độ môi trường T
0
= 303 (
0
K);
− Áp suất môi trường P
0
= 130.300 (Pa);
− Lượng cấp nhiên liệu b = 575 (kg/h);
− Tỉ số nén ε = 12,5
− Nhiệt độ khí sót T
r

= 800 (
0
K);
− Áp suất khí sót P
r
= 182.000 (Pa);
− Vòng quay của động cơ n = 7500 (v/p);
− Đường kính xilanh D = 280 (mm);
− Hành trình piston S = 385 (mm).
1.1.2.Các công thức sử dụng trong chương trình
− Nhiệt trị thấp của nhiên liệu
Q
H
= 100[339C + 1256H – 109(O - S) – r
w
(9H - W)]
Trong đó:
+ C,H,O,S,W_ Hàm lượng phần trăm của các chất theo trọng lượng
có trong nhiên liệu
+ r
w
_ Nhiệt ẩm hoá hơi của nước trong nhiên liệu ứng với áp suất 101,2 (kPa)
r
w
= 2512 (kj/kg);
− Tốc độ trung bình của piston

30
Sn
C

m
=
(m/s);
− Hệ số khí sót
γ
r
=
)(
.
0
ra
r
r
s
PP
P
T
TT
−
∆+
ε
trong đó:
+
0
T∆
_ Nhiệt độ sấy nóng khí nạp mới vào xilanh:
CT
o
)105(
0

÷=∆
+
s
T
_ Nhiệt độ sấy nóng khí nạp mới vào xilanh:
as
TT =
− Nhiệt độ khí sót
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
10
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL

n
n
K
K
P
p
TT
1
0
0
−









=
− Nhiệt độ không khí cuối quá trình nạp.
T
a
=
r
rrk
TTT
γ
γ
+
+∆+
1
0
− Diện tích bề mặt xung quanh thể tích công tác khi piston ở ĐCD
12
2
0
−
+=
ε
ππ
DSD
F
(m
2

);
− Diện tích xác chi tiết tiếp xúc với môi chất công tác
)sin5,0cos1(5,0
2
0
ϕλϕππ
+−−+= DSDSFF
vx
(m
2
);
trong đó:
+
ϕ
_ Góc quay trục khuỷu (rad);
− Thể tích công tác của xilanh
SDV
s
2
4
1
π
=
(m
3
);
− Thể tích buồng cháy
1
1
−

=
ε
sc
VV
(m
3
);
− Thể tích công tác của xilanh ở ĐCD
asa
VVV +=
(m
3
);
− Thể tích công tác tính theo góc quay trục khuỷu
)sin5,0cos1(25,0
2
ϕλϕπ
+−+= DSVV
cvx
(m
3
);
− Lượng không khí khô lý thuyết để đốt cháy hoàn toàn một kg nhiên liệu
L
0
=
21,0
1
32
0

32412
( −++
SHC
)
− Hiệu suất nạp không kể đến hàm lượng ẩm
ras
sa
n
TP
TP
γε
ε
η
−−
=
1
1

1
− Hiệu suất nạp có kể đến hàm lượng ẩm
d
r
r
nnt
++
+
=
γ
γ
ηη

1
1
trong đó:
d_ Hàm lượng ẩm,
n
B
G
G
d =
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
11
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
B
G
_ Lượng không khí khô nạp vào xilanh trong một chu trình
n
G
_ Lượng không khí ẩm nạp vào xilanh trong một chu trình
− Lượng không khí thực tế nạp vào xilanh trong một chu trình (không kể đến
hàm lượng ẩm của không khí)
sncB
VG
ρη
=
(kg);
− Hệ số dư lượng không khí không kể đến hàm lượng ẩm
0

Gg
G
ct
B
=
α
trong đó:
+
ct
g
_ Lượng nhiên liệu cấp cho động cơ trong một chu trình (kg);
+
0
G
_ Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy một kg nhiên liệu;
00
LG
s
µ
=
− Hệ số dư lượng không khí có kể đến hàm lượng ẩm
d
t
61,11+
=
α
α
− Thời gian cháy trì hoãn tính theo công thức của V.X.Xêmnov
( )
294,0

635,0
4,8217
kfkfm
i
TPC
=
τ
trong đó:
+
kf
T
_ Nhiệt độ trong xilanh lúc bắt đầu phun nhiên liệu;
+
kf
P
_ Áp suất trong xilanh lúc bắt đầu phun nhiên liệu;
− Hệ số truyền nhiệt từ vách qua ống lót xilanh
4
4
3
12,1 DCTP
mkckccm
=
α
trong đó:
+
kc
T
_ Nhiệt độ cháy;
+

kc
P
_ Áp suất cháy;
− Bề mặt trao đổi nhiệt với môi chất công tác






+
−
+=
ϕ
ε
π
π
S
S
D
D
F
w
12
2
(m
2
);
− Phần trăm nhiệt lượng toả ra tính theo công thức Vibe

















−
−=
+1
908,0exp
m
z
x
ϕ
γϕ
− Các thông số đặc trưng cho chu trình công tác
+ Áp suất chỉ thị trung bình
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
12

L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
s
i
i
V
L
P =
(MPa);
+ Công suất chỉ thị
60
nzPiV
N
is
i
=
(kW);
+ Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị
iss
ns
i
PTLR
P
g
0
3600
αµ
η
=
; (kg/kWh)

+ Hiệu suất chỉ thị
Hsn
iss
i
QP
PTLR
η
αµ
η
0
=
; (%)
+ Áp suất có ích trung bình
mic
PPP −=
;
+ Hiệu suất cơ giới
i
c
m
P
P
=
η
;
+ Công suất có ích của động cơ
mie
NN
η
.=

;
+ Suất tiêu hao nhiên liệu có ích
m
i
e
g
g
η
=
;
+ Hiệu suất có ích của động cơ
mie
ηηη
=
;
+ Suất tiêu hao nhiên liệu trong một giờ
eeh
NgB =
(kg/h).
1.1.3. Chương trình tính: phần phụ lục (Trang 61).
1.2. Kết quả tính
− Nhiệt độ cực đại của chu trình
T
zmax
= 2135,78 (K);
− Áp suất cực đạicủa chu trình
P
zmax
= 12,434 (Mpa);
VŨ THANH NGÂN

Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
13
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
− Áp suất chỉ thị trung bình
i
P
= 3,013 (MPa);
− Công suất chỉ thị
i
N
= 2678,78 (kW);
− Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị
i
g
= 0,2189 (kg/kWh);
− Hiệu suất chỉ thị
i
η
= 0,393
− Áp suất có ích trung bình
c
P
= 2,8117 (MPa);
− Hiệu suất cơ giới
m
η
= 0,933
− Công suất có ích của động cơ

e
N
= 2499,58 (kW);
− Suất tiêu hao nhiên liệu có ích
e
g
= 0,2346 (kg/kWh);
− Hiệu suất có ích của động cơ
e
η
= 0,3670
− Suất tiêu hao nhiên liệu trong một giờ
h
B
= 586,5 (kg/h).
CHƯƠNG II
THIẾT KẾ CƠ CẤU
PHÂN PHỐI KHÍ
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
14
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
2.1. Lựa chọn hệ thống trao đổi khí
2.1.1. Nhiệm vụ và yêu cầu đối với hệ thống phân phối khí
− Cơ cấu phân phối khí dùng để thực hiện quá trình thay đổi khí trong xilanh
động cơ: nạp khí vào xilanh và đẩy khí đã làm việc ra khỏi xilanh đảm bảo đủ lượng
khí và đúng thời gian qui định.
− Các kiểu cơ cấu phân phối khí trong động cơ Diesel hiện nay thường được

sử dụng:
+ Cơ cấu phân phối khí kiểu xupap
+ Cơ cấu phân phối khí kiểu van trượt
+ Cơ cấu phân phối khí kiểu xupap và van trượt.

3
1
2
4
a b
Hình 2.1. Cơ cấu phối khí kiểu xupap (a); kiểu van trượt(b).
1-Block; 2- Xilanh; 3- Píston; 4- Cửa nạp; 5- Cửa xả;
6- Xupap; 7- Gugiông; 8- Nắp xilanh.
− Cơ cấu phân phối khí kiểu xupap: Cơ cấu phân phối khí kiểu xupap được sử dụng
rộng rãi vì cơ cấu này đơn giản, đảm bảo tính an toàn, tin cậy trong quá trình làm
việc. Cơ cấu này gồm có: Trục phân phối khí, hệ thống truyền động cho nó, con đội,
thanh đẩy, đòn gánh, các xupap nạp, xả và đế xupap. Cơ cấu này sử dụng cho động
cơ bốn kỳ.
− Cơ cấu phân phối khí kiểu van trượt có ưu điểm như: đảm bảo tiết diện lưu thông,
dễ dàng làm mát cơ cấu phối khí, độ ồn nhỏ nhưng kết cấu phức tạp, giá thành cao và
chủ yếu sử dụng sử dụng trong động cơ hai kỳ quét vòng.
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
15
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
Hình 2.2. Cơ cấu phối khí kiểu xupapvà van trượt
1- Block; 3- Píston; 5- Cửa xả; 7- Gugiông
2- Xilanh; 4- Cửa nạp; 6- Xupap; 8- Nắp xilanh.

− Cơ cấu phân phối khí kiểu xupap và van trượt: thưòng sử dụng cho động cơ hai kì
nạp qua cửa và thải bằng xupap, khi đó piston làm nhiệm vụ van trượt, sử dụng cho
động cơ hai kỳ quét thẳng qua xupap.
− Khi tính toán và thiết kế hệ thống cơ cấu phân phối khí cần đảm bảo các yêu cầu
sau đây :
+ Có cường độ chịu lực tốt.
+ Đóng mở đúng thời gian quy định.
+ Độ mở lớn để đảm bảo đủ lượng không khí cấp cho chu trình và tại
chỗ thay đổi tiết diện phải có góc lượn lớn để giảm sức cản cho dòng khí và để dòng
khí dễ lưu động.
+ Kết cấu xupap phải đảm bảo thoát nhiệt tốt.
+ Cần đảm bảo các lực tác dụng lên xupap trùng với đường tâm
xupap để tránh làm cong đuôi xupap.
+ Ít mòn và độ ồn bé.
+ Dễ chế tao, dễ điều chỉnh, dễ sửa chữa và giá thành rẻ.
2.1.2. Lựa chọn hệ thống trao đổi khí
Chọn hệ thống trao đổi khí kiểu xupap treo
1- Phân loại hệ thống trao đổi khí kiểu xupap
Với động cơ đốt trong kiểu piston trao đổi khí bằng xupap có hai phương án
bố trí xupap là: xupap đặt và xupap treo.
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
16
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL

Hình 2.3. Phương án bố trí xupap đặt và xupáp treo
− Phương án bố trí xupap đặt chỉ dùng cho động cơ có tỉ số nén thấp
Nhược điểm:

+ Kết cấu buồng cháy không gọn nên nhiệt lượng tổn thất lớn làm giảm
hiệu suất
+ Việc tăng tỉ số nén rất khó khăn nên ít được sử dụng.
− Phương án bố trí xupap treo được sử dụng rộng rãi trong động cơ Diesel 4 kì
và một số động cơ xăng.
Ưu điểm:
+ Kết cấu buồng cháy nhỏ gọn, do đó tăng được lượng nhiệt dùng cho
quá trình cháy.
+ Tăng tỉ số nén một cách dễ dàng.
Nhược điểm:
+ Các chi tiết chuyển động gây nhiều độ ồn lớn.
+ Chế tạo phức tạp hơn.
+ Làm tăng chiều cao của động cơ.
Kết luận :
Với những ưu, nhược điểm nêu trên, chọn kết cấu phân phối khí kiểu xupap
và phương án bố trí xupap là xupap treo.
2- Bố trí xupap trên nắp xilanh
a) Loại hai xupap
Đây là loại dùng nhiều nhất, trong động cơ bốn kì có một xupap xả và một
xupap nạp.
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
17
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
a b c
Hình 2.4. Bố trí hai xupap trên nắp xilanh
Hình a: Xupap bố trí song song với đường trục, loại này dùng một cam để
truyền động.

Hình b: Xupap bố trí thẳng góc với đường trục. Đường nạp thải bố trí đối
xứng qua nắp xilanh. Dùng một hay hai trục cam để truyền động.
Hình c: Xupap bố trí nghiêng một góc với đường trục. Đường nạp thải bố trí
đối xứng qua nắp xilanh. Dùng một hay hai trục cam để truyền động.
b) Loại ba xupap
Mỗi nắp xilanh có ba xupap.
a b
Hình 2.5. Bố trí ba xupap trên nắp xilanh
Hình a: Một xupap nạp có đường kính tương đối lớn, hai xupap thải có đường
kính bé hơn.
Hình b: Hai xupap nạp, một xupap xả có đường kính lớn hơn.
So với bốn loại xupap thì loại này không có ưu điểm gì đặc biệt và cấu tạo
cũng không đơn giản nên ít dùng.
c) Loại bốn xupap
Dùng trong động cơ cao tốc, công suất lớn trong đó có hai xupap nạp và hai
xupap xả.
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
18
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL

Hình 2.6. Bố trí bốn xupap trên nắp xilanh
3- Phương án dẫn động xupap
Có hai loại dẫn động cho xupap: dẫn động cơ giới cho xupap và dẫn động
thuỷ lực cho xupap
a) Dẫn động cơ giới (hình 2.7):
Hình 2.7. Cơ cấu dẫn động cơ giới cho xupap
1- Trục cam ; 2- Con đội ; 3- Đũa đẩy ; 4- Cò mổ ; 5- Xupap

− Nguyên lí hoạt động : Dẫn động cơ giới cho xupap bằng cơ cấu con đội, đũa
đẩy, đòn bẩy (cò mổ). Đây là các cơ cấu động. Cụ thể là cơ cấu này nhận chuyển
động quay của trục cam dưới tác động của mặt cam lên con đội và đũa đẩy, làm con
đội và đũa đẩy sẽ chuyển động lên xuống. Đầu còn lại của đũa đẩy được liên kết
động với một đầu của đòn bẩy. Đòn bẩy được cấu tạo sao cho có thể quay quanh một
trục gắn cứng, khi đó đầu còn lại của đòn bẩy sẽ trực tiếp tác dụng lên mặt tiếp xúc
của đuôi xupap, làm xupap chuyển động lên xuống với một giới hạn thích hợp. Giới
hạn đó gọi là hành trình của xupap.
− Ưu điểm của phương pháp này là: Cơ cấu dễ chế tạo, giá thành rẻ, có thể
ứng dụng với nhiều loại động cơ tàu thuỷ.
− Nhược điểm chính của phương pháp này là tồn tại khe hở nhiệt lớn, do đó sẽ
gây ra hiện tượng va đập mạnh làm các chi tiết nhất là chỗ tiếp xúc nhanh bị biến
dạng và gây ra tiếng kêu trong quá trình hoạt động.
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
19
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
b. Dẫn động thuỷ lực cho xupap (hình 2.8) :
Hình 2.8. Cơ cấu dẫn động thuỷ lực cho Xupap
1- Trục cam; 2- Con đội; 3- Lò xo; 4- Ống dẫn;
5- Nút xả; 6- Ống dẫn hướng xupap; 7-Đế xupap.
− Ưu điểm : Để tránh va đập giữa đầu đòn gánh và xupap, cơ cấu dẫn động
cho xupap thải của động cơ bốn kì được chế tạo thêm bộ giảm chấn thuỷ lực, tự động
điều chỉnh khe hở nhiệt của xupap. Phương pháp này có độ tin cậy cao và cấu tạo
đơn giản. Việc giảm khối lượng các phần động sẽ hạn chế được lực quán tính của cơ
cấu dẫn động cho xupap và giảm được độ mài mòn các bề mặt làm việc của xupap
gây ra do tác động của các xung lực.
− Nguyên lí hoạt động: Cơ cấu này được sử dụng cho các động cơ Diesel hiện

đại bao gồm: Con đội thuỷ lực (2) được dẫn động từ trục cam (1). Khi con đội thuỷ
lực (2) đi lên, dầu sẽ bị nén và piston thuỷ lực sẽ tạo ra một áp lực trong đường ống
dẫn dầu (4) tác dụng lên đầu xupap. Khi áp lực này thắng được lực lò xo xupap thí
xupap mở ra, đồng thời lò xo cũng bị nén. Do đó tồn tại một lực đàn hồi có xu hướng
đẩy lò xo đi lên. Khi cam ở vị trí thấp sẽ làm cho con đội đi xuống, áp lực dầu giảm.
Lực lò xo thắng áp lực dầu và đẩy xupap đi lên đóng kín cửa thải.
Kết luận:
− Chọn phương án dẫn động cho xupap:
Từ những phân tích ở trên và từ điều kiện áp dụng cho động cơ đang thiết kế,
nên ta dùng phương án dẫn động cơ giới cho xupap.
2.2. Tính toán sơ bộ kích thước của cơ cấu phối khí
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
20
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
2.2.1. Tính toán sơ bộ kích thước của cơ cấu nạp và của cơ cấu thải
t
Hình 2.9. Xupap
Dùng một xupap thải có dạng hình nấm có các thông số cơ bản sau đây :
− Đường kính họng của nấm xupap :
( )
Dd
h
35,026,0 ÷=
mm
Trong đó :
D_ Đường kính piston, D = 280 mm;
− Chiều cao mở của xupap :

( )
h
dh 35,025,0
1
÷=
mm
− Chiều rộng mặt nấm tiếp xúc với đế xupap :
( )
53 ÷=e
mm
− Đường kính ngoài của nấm xupap :
edd
h
2+=
mm
− Góc nghiêng của xupap :
( )
0
4530 ÷=
α
− Đường kính đầu xupap :
d
d
= (0,18 ÷ 0,25)d
h
− Bán kính góc lượn, r = 20
0
Kết quả :
d
h

= 84 mm
h
1
= 26 mm
e = 4 mm
d = 92 mm
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
21
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
α = 45
0
d
d
= 21 mm
r = 20
0
Từ các thông số trên, ta có tiết diện lưu thông lý thuyết là :
( )
ααπ
2sin5,0cos hdhf
+=
mm
2
trong đó :
h_Hành trình (độ nâng) của xupap
( )
h

dhh 3,018,0
max
÷==
mm
h = 21 mm
Kết quả :
f = 4731,195 mm
2
2.3. Xây dựng đồ thị thời gian tiết diện hình học
Sau khi chọn được hình dáng, kích thước, phương hướng và góc phối khí của
các xupap nạp, xupap thải, ta xây dựng đồ thị thời gian tiết diện:
Khi đường kính và góc côn của nấm xupap đã xác định, tiết diện lưu thông tức
thời của xupap quyết định bởi quy luật động học của cam phân phối khí và pha phân
phối khí
Dựa vào phương trình xác định tiết diện lưu thông:
)cossincos(
2
αααπ
hdhf +=
( )
ααπ
2sin5,0cos hdhf +=
Trong đó :
h: Hành trình của xupap, trị số h phụ thuộc vào biên dạng cam
d: Đường kính ngoài của nấm xupap, d = 92 (mm);
α: Góc nghiêng của xupap, α = 45
0
Ta sẽ xây dựng đồ thị thời gian tiết diện hình học dựa vào hành trình của
xupap. Muốn vậy, ta phải xác định được quy luật của độ nâng xupap biến thiên theo
góc quay của trục cam.

− Thiết kế dạng cam: Có hai phương pháp :
+ Lựa chọn quy luật chuyển động của cam (chủ yếu là quy luật gia
tốc), rồi từ đấy phân tích hai lần để tìm quy luật của độ nâng xupap biến thiên theo
góc quay của trục cam.
+ Định sẵn dạng cam, mặt cam là tập hợp của những cung tròn , cung
parabôn hoặc đường thẳng để dễ gia công. Sau đó căn cứ vào quy luật nâng đã
định, đạo hàm hai lần đối với góc quay của trục cam để tìm quy luật gia tốc rồi kiểm
tra xem có phù hợp với yêu cầu về gia tốc cơ cấu phân phối khí hay không.
Căn cứ vào hình XV-41 theo [1], thể hiện quy luật nâng hạ và quy luật gia tốc
của ba loại cam lồi cung tròn, cam lồi cung parabôn và cam tiếp tuyến. Từ đây ta
chọn dạng cam là cam tiếp tuyến (hình 2.10).
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
22
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
0°
20°

40°

50°

60°

70°

80°

90°

100°
110°

120°

130°

140°

150°

160°

170°

180°
10°

30°

h
max
h
max
Hình 2.10. Độ nâng xupap biến thiên theo góc quay trục cam
Độ nâng xupap biến thiên theo góc quay trục cam được ghi trong bảng 2.1
Bảng 2.1:Sự thay đổi của độ nâng xupap và tiết diện
lưu thông theo góc quay truc cam

Góc
quay
trục
cam
Độ nâng
xupap
Tiết diện
lưu thông
0 0 0
10 0 0
20 0 0
30 0,1529 31,275
40 1,1248 231,284
50 3,1464 654,034
60 6,5993 1397,089
70 12,29 2679,507
80 19,0802 4303,833
90 21 4781,653
100 19,0802 4303,833
110 12,29 2679,507
120 6,5993 1397,089
130 3,1464 654,034
140 1,1248 231,284
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
23
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
Góc

quay
trục
cam
Độ nâng
xupap
Tiết diện
lưu thông
150 0,1529 31,275
160 0 0
170 0 0
180 0 0
Từ bảng 2.1, ta vẽ được đồ thị thời gian tiết diện hìnhhọc(hình2.11)

f
0
90 180
α
°
f
Hình 2.11. Đồ thị thời gian tiết diện hình học
2.4. Xác định trị số thời gian tiết diện của các thời kì
2.4.1. Các thông số trong quá trình trao đổi khí
a- Quá trình nạp
− Áp suất môi chất trong xilanh lúc bắt đầu mở xupap nạp
P
H
= P
a
P
a

= 195000 (Pa).
– Áp suất không khí nạp, P
k
= 216000 (Pa);
− Thể tích xilanh lúc bắt đầu thời kì nạp
( )
4
.
05,19,0
2
D
V
N
π
÷=

V
N
= 0,064 (m
3
).
– Nhiệt độ không khí nạp,
)(,
0
1
0
0
KT
P
P

TT
m
m
k
k
∆−








=
−
Trong đó :
m: Chỉ số nén đa biến, với máy nén ly tâm và tăng áp bằng Tuabin khí thải
m = 1,4 ÷ 1,6
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
24
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
∆T: Nhiệt độ làm mát ( nếu có), ∆T = 50 (
0
C);
P
0

: Áp suất môi trường, P
0
= 130000 (Pa);
T
0
: Nhiệt độ môi trường, T
0
= 303 (
0
K);
Kết quả : với động cơ tăng áp :
Tk = 337,83 (
0
K).
– Hệ số dư lượng không khí nạp:

K
ϕ
=
0.
00

TP
TP
K
K
ϕ
trong đó :
ϕ
0

_ Hệ số dư lượng không khí nạp lí thuyết, ϕ
0
= (1,4 ÷ 2,4);
ϕ
0
= 2
Kết quả :
K
ϕ
= 1,063
– Hệ số nạp
)1(

1
.
1
r
v
Ta
Tk
Pk
Pa
γε
ε
λη
+−
=
v
η
=1,016

Kết quả : φ =
v
k
η
ϕ
= 1,046
b- Quá trình thải :
− Áp suất khí thải, P
b
= 1074768 (Pa) (theo chương I);
− Nhiệt độ khí thải, T
b
= 1288,189 (
0
K) (theo chương I);
− Áp suất trên đường ống thải
Phụ thuộc cấu tạo của đường ống thải và điều kiện làm việc của động cơ
Với động cơ tăng áp bằng Tuabin khí thải, ta chọn :
P
th
= (0,85 ÷ 0,9)P
k

P
th
= 0,184 (MPa).
− Áp suất trung bình trong xilanh thời kì thải cưỡng bức
P
N
= a(P

k
- P
th
) + P
th

trong đó :
a-Hệ số giảm áp, với động cơ thải bằng xupap
a = (0,5 ÷ 0,9)
a = 0,7
Kết quả :
P
N
= 0,2064 (MPa).
− Nhiệt độ sản vật cháy trong xilanh lúc bắt đầu thải cưỡng bức
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
25
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
m
m
b
N
bN
P
P
TT
1

)(
−
=
với m = 1,3
Kết quả :
T
N
= 880,25 (
0
K).


2.4.2. Xác định trị số thời gian tiết diện của các thời kì thải tự do
Thay đổi môi chất trong động cơ bốn kì được bắt đầu từ thời kì thải tự do.
Thải tự do là sự lưu động của sản vật cháy từ xilanh ra đường ống thải nhờ
chênh áp giữa xilanh và đường ống thải trong điều kiện (thể tích xilanh, tiết diện lưu
thông của cửa thải, trạng thái môi chất trong xilanh và trong ống thải) thay đổi liên
tục.
Mục đích nghiên cứu thời kì thải tự do nhằm xác lập quan hệ giải tích giữa các
thông số của chu trình công tác của động cơ cần tính với trị số thời gian tiết diện cần
thiết cho quá trình thải tự do, đảm bảo cho quá trình nạp và thải cưỡng bức tiến triển
thuận lợi.
Nhờ quan hệ giải tích ấy có thể xác định trị số thời gian tiết diện cần thiết cho
thời kì thải tự do, rồi dùng nó để kiểm nghiệm tính toán quá trình trao đổi khí của
động cơ bốn kì.
Vấn đề đặt ra khó và phức tạp nên trên thực tế, thường chỉ giới hạn trong cách
giải gần đúng bằng cách giả thiết :
− Dòng môi chất đi qua cơ cấu thải là dòng một chiều, ổn định, không có sức
cản, không trao đổi nhiệt với môi trường (lưu động đoạn nhiệt).
− Áp suất trên đường thải P

th
và trong bình khí nạp P
k
luôn không thay đổi.
Thời gian tiết diện của thời kì thải tự do gồm hai giai đoạn :
+ Thời gian tiết diện của thải sớm: A
ts
0
+ Thời gian tiết diện của thải tự do: A
td
0
a) Trị số thời gian tiết diện của thời kì thải sớm
Tốc độ lưu động của dòng khí qua cửa thải của giai đoạn này đạt tốc độ giới hạn
bằng tốc độ truyền âm của khí thải ở trạng thái giới hạn, phụ thuộc thông số trạng
thái của sản vật cháy trong xilanh.
Trị số thời gian tiết diện cần của thời kì thải sớm :

















−−








=
b
H
H
b
B
TB
ts
V
V
p
p
T
V
A ln174,01
59,0
115,0
µ
(m

2
s);
Trong đó :
V
TB
: thể tích trung bình của xilanh lúc bắt đầu mở cửa thái đến lúc bắt đầu mở cửa
quét ; (m
2
s)
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
26
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
V
TB
= (V
b
+V
H
)/2 (m
2
s);
Với : V
b
: Thể tích của xilanh lúc bắt đầu mở cửa thải;
V
b
= (S-h

t
).π.D
2
/4 (m
3
);
V
H:
Thể tích của xilanh lúc bắt đầu mở cửa quét;
V
H
= (S-h
q
).π.D
2
/4 (m
3
);
μ: Hệ số lưu lượng của cơ cấu thải sớm
b) Trị số thời gian tiết diện của thời kì thải tự do
Trị số thời gian tiết diện cần của thời kì thải tự do :

















−−








+








=
b
N
N
th

th
b
b
TB
td
V
V
p
p
p
p
T
V
A ln103,059,0102,0492,0
59,0
115,0
µ
(m
2
s);
Kết quả :
td
A
= 0,0000351 (m
2
s).
Kiểm tra lại theo công thức :
( )
1,19,0
0

÷=
td
td
A
A
td
td
A
A
0
= 1,05 ⇒ Thoả mãn
2.4.3. Xác định trị số thời gian tiết diện của các thời kì thải cưỡng bức :
Trị số thời gian tiết diện của thời kì thải cưỡng bức được xác địng bằng công thức :
)(
N
NN
b
bb
k
K
h
Ntt
n
t
RT
VP
RT
VP
v
V

P
RT
A +−=
ϕ
ψγ
(m
2
s);
Trong đó :

k
v
: Thể tích riêng của khí nạp,
k
v
= 49,726 (m
3
);

k
ϕ
: Hệ số dư lượng khí nạp,
k
ϕ
=1,063 ;
T
N
: Nhiệt độ sản phẩm cháy trong xilanh lúc bắt đầu thời kì thải cưỡng bức
T
N

= 880,25 (
0
K);
T
n
: Nhiệt độ trung bình của khí trong xilanh trong suốt thời kì nạp thải cưỡng
bức
2
kN
n
TT
T
+
=
(
0
K);
R: Hằng số, R = 287 (Jkg/độ);
t
γ
: Hệ số lưu lượng tính toán,
=
t
γ
0,6 (tra bảng);
t
ψ
: Hàm số lưu lượng
VŨ THANH NGÂN
Trang:

LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
27
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL


















−









−
=
+
k
k
N
th
k
N
th
t
p
p
p
p
k
k
12
1
2
ψ
k_ Hệ số đoạn nhiệt, (với sản vật cháy) k = 1,3;
Kết quả :
t
A
= 0,00036582 (m
2
s).
Kiểm tra lại theo công thức :

( )
1,19,0
0
÷=
t
t
A
A
t
t
A
A
0
= 0,937 ⇒ Thoả mãn
2.4.4. Xác định trị số thời gian tiết diện của các thời kì nạp khí
Trị số thời gian tiết diện của thời kì nạp khí được xác định bằng công thức :
okqq
kh
q
Tp
TpV
A
ψµ
σ
00
0
59,0
=
(m
2

s)
trong đó :
0
σ
: Hệ số dư lượng khí nạp,
0
σ
= 1,6 ;
V
H
: Thể tích công tác của xilanh
4
2
D
V
H
π
=
k: Chỉ số nén đoạn nhiệt, k = 1,4 (với không khí);
q
ψ
: Hàm lưu lượng



















−








−
=
+
k
k
N
th
k
N
th
q

p
p
p
p
k
k
12
.
1
.2
ψ
q
µ
: Hệ số lưu lượng của cơ cấu nạp
( )
75,07,0 ÷=
q
µ
(với động cơ nạp thẳng);
75,0=
q
µ
Kết quả :
0
q
A
= 0,00001632 (m
2
s).
Kiểm tra lại theo công thức :

( )
1,19,0
0
÷=
q
q
A
A
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
28
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
q
q
A
A
0
= 1,04 ⇒ Thoả mãn
CHƯƠNG III
THIẾT KẾ MỘT SỐ THIẾT BỊ CỦA HỆ THỐNG PHỐI KHÍ
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
29
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
3.1. Những chú ý khi thiết kế hệ thống phân phối khí
Khi thiết kế cơ cấu phân phối khí, cần chú ý đến những vấn đề sau :

− Cường độ của quá trình làm việc (đặc biệt là quá trình thải khí), mức độ tải
trọng cũng như tốc độ quay của động cơ làm cho điều kiện làm việc của xupap thêm
nặng nề vì làm tăng thêm lượng nhiệt đi qua xupap và lực quán tính của các chi tiết
trong cơ cấu phối khí cũng tăng lên.
− Kết cấu của nắp xilanh (đặc biệt là ở những vùng bố trí ổ đặt và phần dẫn
hướng của xupap) cần bố trí cho các thành vách trong xilanh có bề dầy đều nhau,
tránh gây biến dạng cho vùng đặt ổ xupap. Nếu bị biến dạng, xupap sẽ không thể đậy
kín, cả mép vát xupap lẫn ổ đặt của nó sẽ bị cháy dần, làm mất tác dụng kín khít của
cặp lắp ghép này.
− Kết cấu của xupap phải đảm bảo thoát nhiệt tốt.
− Kết cấu của các chi tiết truyền động cho xupap cần đảm bảo cho các lực tác
dụng có phương trùng với đường tâm xupap, tránh làm cong xupap.
− Vật liệu chế tạo xupap cần có cơ tính tốt, phải bền, dẻo và chịu được ở nhiệt
độ cao, thép crôm hoặc thép niken có nhiệt luyện.
3.2. Xupáp
3.2.1. Phương án bố trí Xupáp
Các động cơ đốt trong có cơ cấu phối khí dùng xupap ngày nay đều bố trí
xupap theo một trong hai phương án chủ yếu là bố trí xupap đặt và xupap treo. Đối
với động cơ diesel 4 kì, cơ cấu phối khí thường dùng xupáp treo.
Độngcơ Diesel chỉ dùng phương án bố trí xupap treo vì dung tích buồng cháy
của động cơ Diesel nhỏ, tỉ số nén rất cao. Khi dùng cơ cấu phân phối khí xupap treo,
buồng cháy rất gọn, diện tích mặt truyền nhiệt nhỏ. Vì vậy giảm được tổn thất nhiệt
và tăng hiệu suất động cơ. Cơ cấu phân phối khí xupap treo còn làm cho dạng đường
nạp thải thanh thoát hơn khiến sức cản khí động nhỏ. Đồng thời, do có thể bố trí
xupap hợp lí hơn, nên có thể tăng được tiết diện lưu thông của dòng khí. Những điều
đó làm cho hệ số nạp tăng lên 5% ÷ 7%.
Tuy vậy, cơ cấu phân phối khí xupap treo cũng tồn tại một số khuyết điểm cơ
bản của cơ cấu này là dẫn động xupap phức tạp và làm tăng chiều cao của động cơ.
Ngoài ra, bố trí xupap treo làm cho nắp xilanh trở nên hết sức phức tạp, rất khó đúc
và độ ồn lớn.

3.2.2. Điều kiện làm việc của Xupáp
Trong quá trình làm việc, mặt nấm xupap chịu phụ tải động và phụ tải nhiệt
rất lớn. Lực khí thể tác dụng trên diện tích mặt nấm xupap là rất lớn, có thể lên đến
0,1÷ 0,2 (MPa). Trong động cơ cường hoá và tăng áp, lực này có thể tăng lên đến 0,3
(MPa). Hơn nữa, mặt nấm xupap luôn luôn va đập mạnh với mặt đế xupap nên rất dễ
bị biến dạng. Do xupap tiếp xúc trực tiếp với khí cháy nên xupap còn phải chịu nhiệt
độ rất cao. Nhiệt độ của xupap trong động cơ Diesel đạt đến 773 ÷ 873 (
0
K). Nhất là
trong thời kì thải khí, nấm và thân xupap phải tiếp xúc với dòng khí thải có nhiệt độ
rất cao. Đối với động cơ Diesel, nhiệt độ dòng khí thải vào khoảng 973 ÷ 1173 (
0
K).
Hơn nữa, tốc độ của dòng khí thải là rất lớn (khi mới bắt đầu thải, tốc độ dòng khí
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
30
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
thải có thể đạt đến 400÷600 m/s) nên khiến cho xupap, nhất là xupap thải thường dễ
bị quá nóng và bị dòng khí ăn mòn.
Ngoài ra, do trong nhiên liệu còn có lưu huỳnh nên khi cháy tạo thành axit ăn
mòn mặt nấm xupap.
3.2.3. Vật liệu làm xupáp
Yêu cầu đối với vật liệu làm xupap:
− Yêu cầu cơ bản đối với vật liệu làm xupap là có khả năng chống ăn mòn cao
để tránh sự ăn mòn của hơi nước, tạp chất trong nhiên liệu lúc nhiệt độ cao, phải có
độ cứng cao, chịu mài mòn tốt.
− Vì lúc đóng vào, đế xupap chịu lực xung kích, do đó cường độ chịu lực của

xupap phải lớn, đồng thời khối lượng vận động phải bé.
− Để đảm bảo được tính năng làm việc thì nhiệt độ của xupap không được quá
cao.
− Xupap ngoài yêu cầu làm kín tốt ra, thì phải đảm bảo tổn thất lưu động là
nhỏ.
− Vật liệu dùng để chế tạo xupap phải có sức bền cơ học cao, chịu nhiệt tốt,
chống được ăn mòn hoá học và hiện tượng xâm thực của dòng khí thải khi ở nhiệt độ
cao.
− Để nâng cao tính chống mòn, chống gỉ mặt nấm của xupap, người ta còn
thường mạ lên bề mặt làm việc của nấm xupap một lớp hợp kim cứng (hợp kim
coban) dày khoảng 1,5 ÷ 2,5 mm.
Với các yêu cầu trên, vật liệu dùng để chế tạo xupap thường dùng các loại
thép hợp kim: X9C2, X10CM, X12H7C…
3.2.4. Cơ cấu dẫn động cho Xupáp
a) Nhiệm vụ của cơ cấu truyền động
Nhiệm vụ chính của cơ cấu này là đảm bảo cho xupap đóng mở đúng lúc và
chuyển động theo một quy luật nhất định.
b) Phương pháp dẫn động cho Xupáp:
− Với động cơ này em chon phương án dẫn động bằng cơ giới: (hình 3.1)
− Nguyên lí hoạt động: (đã trình bày ở chương II).
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
31
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL

Hình 3.1. Cơ cấu dẫn động cơ giới cho xupap
1- Trục cam ; 2- Con đội ; 3- Đũa đẩy ; 4- Cò mổ ; 5- Xupap
Từ những phân tích ở trên và từ điều kiện áp dụng thực tế, đối với động cơ 4

kỳ công suất 2500 KW ta chọn phương án dẫn động cơ giới cho xupap.
c) Tính toán khe hở nhiệt cho cơ cấu truyền động (hình 3.3)

k

k
Hình 3.2. Khe hở nhiệt của cơ cấu truyền động
1- Trục cam ; 2- Con đội ; 3- Xupap ; 4- Cò mổ .
Khi động cơ từ trạng thái nguội được nóng dần lên, thì thân động cơ cũng như các
chi tiết của cơ cấu truyền động cho xupap đều nóng lên và giãn nở nhiệt khác nhau
tuỳ theo nhiệt độ của động cơ. Dĩ nhiên, độ dãn dài tỉ lệ với nhiệt độ và phụ thuộc
vào vật liệu chế tạo. Trong các động cơ được làm mát bằng nước, độ giãn nở nhiệt
của các chi tiết truyền động cho xupáp thường lớn hơn độ giãn nở nhiệt của thân
động cơ.
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
32
L U Ậ N V Ă N T Ố T N G H I Ệ P
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
Vì vậy, nếu ở trạng thái nguội, trong các chi tiết của cơ cấu truyền động cho
xupap không có khe hở dự trữ, thì khi động cơ chuyển sang trạng thái nóng, do có sự
giãn nở nhiệt chênh lệch như đã nói, các xupap không thể đặt kín vào ổ đặt của nó.
Điều đó dẫn đến sự quá nhiệt của các xupap và có sự rò lọt khí từ xilanh ra ngoài.
Để đảm bảo cho động cơ làm việc bình thường, khi động cơ đang nguội, giữa
các chi tiết của hệ truyền động cho xupap phải có khe hở nhiệt k.
Khe hở nhiệt có thể được đo theo trục của con đội, hay theo hướng trục của
xupáp. Ở các loại động cơ đang được sử dụng hiện nay, khe hở nhiệt thường nằm
trong khoảng sau :
k = (0,03 ÷ 0,05)h

cd
(mm);
Trong đó :
h
cd
: Hành trình lớn nhất của con đội
i
h
h
xp
cd
=
h
xp
: Hành trình lớn nhất của xupap, h
xp
= 21 (mm);
i: Tỉ số truyền, i = 1 ÷ 1,4
i = 1
Kết quả :
K = 0,84 (mm).
3.2.5. Kết cấu Xupáp
Xupap được chia làm 3 phần :
− Nấm xupap (đầu)
− Thân xupap
− Đuôi xupap
a) Nấm xupáp
Hình dáng và kết cấu của nấm xupap ảnh hưởng đến:
− Tính cứng chắc của nấm xupap. Đó là yếu tố quan trọng để đảm bảo hình
dáng của xupap chính xác lúc động cơ làm việc, ảnh hưởng gián tiếp đến năng lực

làm việc của xupáp.
− Trọng lượng xupap tức là lực quán tính tịnh tiến lớn hay nhỏ.
− Hình dáng của dòng khí, ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ hoàn thiện của quá
trình thay đổi công chất.
− Điều kiện công nghệ chế tạo xupap.
Mặt làm việc quan trọng của phần nấm xupap là mặt côn có góc α từ
30
0
÷ 45
0
. Góc α càng nhỏ tiết diện lưu thông càng lớn. Tuy nhiên khi α nhỏ, mặt
nấm càng mỏng, độ cứng vững của mặt nấm càng kém. Do đó, dễ bị cong vênh, tiếp
xúc không kín khít với đế xupap. Đối với dòng khí lưu động vào xilanh, khi α nhỏ
quá (
α
= 0), dòng khí lưu động cũng bị gấp khúc.
VŨ THANH NGÂN
Trang:
LỚP MTT44-ĐH2, KHOA ĐÓNG TÀU
33