Đồ án thiết kế hệ thống phân phối khí của động cơ diesel hai kỳ công suất 5880kw kèm bản vẽ

MỤC LỤC
Chương, mục Tên thư mục Trang số
Nhiệm vụ thư 2
Mục lục 6
Danh mục các ký hiệu 8
Danh mục các hình vẽ 14
MỞ ĐẦU 15
1 Tính thời sự của đề tài 15
2 Mục đích của đề tài 15
3 Nội dung chính của đề tài 15
4 Phương pháp nghiên cứu của đề tài 16
5 Phạm vi nhiên cứu của đề tài 16
6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 16
Chương 1 TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL 17
1.1 Lựa chọn công thức và chương trình tính 18
1.1.1 Đánh giá phương pháp cổ điển tính chu trình
công tác của động cơ Diesel
18
1.1.2 Phương pháp cân bằng năng lượng 19
1.1.3 Một số công thức dùng trong quá trình tính toán 22
1.1.4 Lựa chọn chương trình tính 26
1.1.5 Các thông số nhập vào chương trình tính 26
1.1.6 Chương trình tính nhiệt 26
1.2 Kết quả từ chương trình tính 27
Chương 2 THIÊT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ CỦA
ĐỘNG CƠ HAI KỲ CÔNG SUẤT 5880 KW
28
2.1 Lựa chọn hệ thống trao đổi khí 29
2.1.1 Hệ thống quét vòng 29
2.1.2 Hệ thống quét thẳng 29

2.1.3 Lựa chọn hệ thống tao đổi khí 30
2.2 Tính toán sơ bộ kích thước của cơ cấu phối khí 31
2.2.1 Tính toán sơ bộ kích thước của cơ cấu nạp 31
2.2.2 Tính toán sơ bộ kích thước của cơ cấu thải 32
2.3 Xây dựng đồ thị tiết diện hình học 34
2.4 Xác định trị số thời gian tiết diện của các thời kỳ 35
2.4.1 Các thông số trong quá trình trao đổi khí 35
2.4.2 Xác định trị số thời gian tiết diện của các thời
kỳ thải tự do
37
2.4.3 Xác định trị số thời gian tiết diện của các thời
kỳ thải cưỡng bức
39
2.4.4 Xác định trị số thời gian tiết diện của các thời
kỳ quét khí
40
6
Chương 3 THIẾT KẾ MỘT SỐ THIẾT BỊ CỦA HỆ
THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ
41
3.1 Cửa nạp 42
3.2 Xupap 43
3.2.1 Phương án bố trí Xupap 43
3.2.2 Điều kiện làm việc của Xupap 44
3.2.3 Vật liệu làm Xupap 45
3.2.4 Cơ cấu dẫn động cho Xupap 45
3.2.5 Kết cấu của Xupap 48
3.3 Đế Xupap 53
3.3.1 Điều kiện làm việc 53
3.3.3 Vật liệu chế tạo 53

3.3.4 Kết cấu của đế Xupap 53
3.4 Ống dẫn hướng Xupap 54
3.4.1 Nhiệm vụ và điều kiện làm việc 54
3.4.2 Vật liệu chế tạo 54
3.4.3 Bôi trơn ống dẫn hướng Xupap 54
3.4.4 Kết cấu ống dẫn hướng Xupap 55
3.5 Lò xo Xupap 55
3.5.1 Nhiệm vụ và điều kiện làm việc 55
3.5.2 Vật liệu chế tạo 55
3.5.3 Kết cấu lò xo Xupap 55
3.5.4 Kiểm nghiệm bền cho lò xo Xupap 58
3.5.5 Kiểm nghiệm ứng suất mỏi 61
3.5.6 Kiểm nghiệm dao động cộng hưởng 62
3.6 Trục cam 63
3.6.1 Nhiệm vụ và điều kiện làm việc của trục cam 63
3.6.2 Vật liệu chế tạo 63
3.6.3 Phương án dẫn động trục cam 66
3.6.4 Các kích thước sơ bộ của trục cam 64
3.6.5 Xác định dạng cam 66
3.6.6 Kiểm tra bền cho trục cam 68
3.7 Tính chọn bơm và đường ống 71
KẾT LUẬN 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO 73
CÁC BẢN VẼ DÙNG ĐỂ BÁO CÁO
TỐT NGHIỆP
7
CHƯƠNG 1
TÍNH NHIỆT ĐỘNG CƠ DIESEL
8
1.1. Lựa chọn công thức và chương 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 phương pháp cổ điển hoặc phương pháp mới. Để lựa
chọn phương pháp tính cần phải đánh giá các phương pháp đó.
1.1.1. Đánh giá phương pháp cổ điển tính chu trình công tác của động cơ Diesel
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 được các thông số môi chất tại các điểm đặc trưng.
Trong quá trình tính sẽ lựa chọn được các hệ số, các chỉ số đặc trưng 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 phương 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 n
1
và n
2
, quá trình cấp nhiệt
đẳng tích và đẳng áp thay cho quá trình cháy nhiên liệu được đặc trưng bởi tỉ số tăng áp suất
trong quá trình cháy λ, chỉ số giãn nở sớm ρ. Ngoài ra để tính các thông số của chu trình còn
phải chọn nhiều hệ số khác như: hệ số lợi dụng nhiệt, hệ số biến đổi phân tử
Từ cách tính chu trình công tác theo phương pháp cổ điển có thể rút ra một số nhận
xét sau đây:
− Không xét được ảnh hưởng của góc phối khí.
− Sử dụng quá trình hệ số lựa chọn nên không đảm bảo độ chính xác.
− Không xét được ảnh hưởng của góc phun sớm, quy luật cấp nhiên liệu, lượng nhiệt
trao đổi với nước làm mát.
− Không xét được 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 phương pháp này rất khó nghiên cứu các thông số công tác khi động cơ làm việc
theo các đường đặc tính điều chỉnh, đặc tính bộ phận, đặc tính chong chóng và ảnh hưởng của
điều kiện khai thác tới chất lượng làm việc của động cơ.
1.1.2. Phương pháp cân bằng năng lượng
Động cơ Diesel tầu thuỷ hiện đại chủ yếu là động cơ tăng áp bằng tua bin khí xả. Các
quá trình công tác trong Xilanh động cơ và trong Tuabin máy nén có mối liên hệ phụ thuộc
lẫn nhau, điều đó phương 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
hưởng 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 phương pháp cân bằng năng lượng để nghiên cứu. Để áp
dụng phương 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 môi chất trong Xilanh là một hệ thống nhiệt động
cân bằng. Nếu bỏ qua sự dò lọt môi chất qua xéc măng trong quá trình nén và giãn nở thì hệ
thống nhiệt động là hệ kín.
Như vậy, với phương pháp này thì môi chất trong thể tích làm việc của xilanh trong
quá trình luôn tuân theo định luật thứ nhất.
Phương trình cân bằng năng lượng của môi chất được biểu diễn thông qua công thức:
ϕϕϕ
d
dL
d
dU
d
dQ
+=
(KT
0
/TK); (1.1)
trong đó:
9

−
ϕ
d
dQ
: Lượng nhiệt cấp cho môi chất theo góc quay của trục khuỷu,
(KT
0
/TK);
−
ϕ
d
dU
: Độ thay đổi nội năng của môi chất theo góc quay của trục khuỷu,
(KT
0
/TK);
−
ϕ
d
dL
: Độ thay đổi công theo góc quay của trục khuỷu (KT
0
/TK);
−
ϕ
: Góc quay của trục khuỷu thay đổi từ 0 đến
ϕ
ct
, tính từ ĐCT lúc bắt đầu
quá trình quét.

Biến thiên nội năng của môi chất tính theo công thức:
ϕϕϕ
d
dm
u
d
dT
mCv
d
dQ
+=
(1.2)
Độ thay đổi công tính theo công thức:
ϕϕ
d
dV
p
d
dl
=
(1.3)
trong đó:
− m : Khối lượng 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 Xilanh ;
− V : Thể tích môi chất công tác, (m
3

);
Nội năng đơn vị chất công tác:
U =
∫
0
CvdT
. (1.4)
1− Sự thay đổi các thông số môi chất trong quá trình nén
Môi chất công tác gồm khí sạch và khí sót nên phương trình nhiệt động có dạng:
ϕϕ
d
dT
CvrmCvm
d
dU
rkk
)( +=
(1.5)
trong đó:
− C
v
: Nhiệt dung riêng của không khí ,
C
V
= a + bT ;
a = 19,88 ; b = 0,00275 .
− C
Vr
: Nhiệt dung riêng của sản vật cháy,
C

Vr
= c + dT ;
c = 21,81; d = 0,003853 .
Nhiệt lượng các chi tiết truyền cho môi chất tính theo công thức:
ϕ
τ
α
ϕϕ
d
d
FvxTkcTvx
d
dU
d
dU
vk
)( −==
(1.6)
trong đó:
−
vk
α
: 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 một chu trình ở chế độ định mức , T
VX

=
400 ÷ 480 (K);
10
− F
VX
: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, (m
2
);
− τ : Thời gian trao đổi nhiệt, (s).
−
nd
d
6
1
=
ϕ
τ

⇒
n
Fvx
FvxTkcTvx
d
dU
d
dU
vk
6
)( −==
α

ϕϕ
. (1.7)
2− Sự thay đổi các thông số trong quá trình cháy
Góc bắt đầu cháy nhiên liệu tính theo công thức
ifs
ϕϕθ
+=
(1.8)
trong đó:
−
fs
ϕ
: Góc phun sớm nhiên liệu lấy theo lý lịch động cơ ;
−
i
ϕ
: Góc cháy trì hoãn, (
0
TK);
Khối lượng môi chất kể cả sản vật cháy tính theo công thức:
ϕϕ
d
dx
g
d
dm
ct
=
(1.9)
trong đó:

− G
ct
: lượng nhiên liệu phun vào Xilanh trong một chu trình, (kg);
Tốc độ cháy tương đối tính theo thực nghiệm ,
Khối lượng không khí giảm xuống trong quá trình cháy,
G
bx
= G
b
– G
0
g
ct
x (1.10)
Sản vật cháy tăng lên:
m
kcx
= m
r
+ g
ct
x – G
0
g
ct
x (1.11) trong đó:
− X : Phần trăm nhiên liệu đã cháy ứng với thời điểm xét,
ϕ
ϕ
ϕ

d
d
dx
X
∫
=
0
(1.12)
Nhiệt lượng cấp cho môi chất công tác ,
ϕϕϕ
d
dQ
d
dQ
d
dQ
X
W
+=
¦
(1.13)
Lượng nhiệt toả ra do cháy phần nhiên liệu cấp (kW/kg);
ϕϕ
d
dx
gQ
d
dQ
ctH
X

=
. (1.14)
3− 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 Xilanh, còn
khối lượng sản vật cháy giữ không đổi cho đến khi mở cửa thải.
Dựa theo các phương trình nêu trên sẽ xác định được áp suất môi chất công tác và từ
đó tính được nhiệt độ theo phương 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
30
Sn
C
m
=
(m/s); (1.15)
− Tốc độ lớn nhất của Piston khi quét qua cửa quét
C
W
= 1,57C
m
k (m/s); (1.16)
trong đó:
+ k : Tỉ số giữa diện tích đỉnh piston và diện tích lỗ Xupap;
11
− Nhiệt trị thấp của nhiên liệu.
Q
H
= 100[339C+1256H – 109(O - S) – r
W
(9H + W) (1.17)

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 );
− Nhiệt độ của không khí sau máy nén tăng áp
k
k
n
n
Kk
TT
1
0
.
−
=
π
(
0
K ); (1.18)
trong đó:
+
k
π
: Tỉ số tăng áp

+ n
k
: Chỉ số nén đa biến trong máy nén
n
k
= 1,5 ÷ 2
−
s
T
: Nhiệt độ sấy nóng khí nạp mới vào Xilanh
T
S
= T
K
- ∆T
lm
(1.19)
trong đó:
+ ∆T
lm
: Độ giảm nhiệt độ trong bầu làm mát
−
s
P
: Áp suất khí nạp mới vào Xilanh
P
S
= P
K

K
π
- ∆.P
lm
(1.20)
+ ∆P
lm
: Độ giảm áp suất áp trong bầu làm mát
− Áp suất không khí cuối quá trình quét.
s
w
sa
Tw
C
pp
2
52
576
10
−=
(1.21)
− Hệ số khí sót
)(
)(
rar
rs
r
PPT
PtT
−

∆+
=
ε
γ
(1.22)
trong đó:
+ ε : Tỉ số nén lí thuyết;
+ P
r
, T
r
: Áp suất và nhiệt độ khí sót;
+ ∆t : Độ tăng nhiệt độ không khí do tiếp xúc với vách,
∆t = 5 ÷ 10
0
C ;
− Nhiệt độ không cuối quá trình nạp,
r
rrs
a
TtT
T
γ
γ
+
+∆+
=
1
(1.23)
− Diện tích bề mặt xung quanh Xilanh công tác khi Piston ở ĐCT,

12
2
0
−
+=
ε
π
π
DSD
F
(1.24)
− Diện tích bề mặt của các chi tiết tiếp xúc với môi chất công tác
)sin5,0cos1(5,0
2
0
ϕλϕππ
+−−+= DSDSFF
vx
(1.25)
trong đó:
+ ϕ : Góc quay khuỷu,
− Thể tích công tác của Xilanh,
12
2
4
1
SDV
S
π
=

(m
3
); (1.26)
− Thể tích buồng cháy ,
1
1
−
=
ε
SC
VV
(1.27)
− Thể tích công tác của Xilanh khi Piston ở điểm chết trên,
SCa
VVV +=
(1.28)
− Thể tích công tác của Xilanh tính theo góc quay trục khuỷu,
)sin5,0cos1(25,0
22
ϕλϕπ
+−+= SDVV
Cvx
(1.29)
− Khối lượng rỉêng của không khí sau máy nén,
s
s
s
RT
P
=

ρ
(1.30)
trong đó:
+ R : Hằng số của không khí, R = 287 kJ/(kmol.K);
− Lượng không khí khô cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu,






−++=
323241221,0
1 OSCC
L
o
(kmol/kg); (1.31)
− Hệ số nạp không kể đến hàm lượng ẩm,
ras
sa
H
TP
TP
γε
ε
η
+−
=
1
1

1
(1.32)
− Hệ số nạp kể đến hàm lượng ẩm,
d
r
r
HHt
++
+
=
γ
γ
ηη
1
1
(1.33)
trong đó:
+ d : Hàm lượng ẩm của không khí vào Xilanh,
− Lượng không khí thực tế nạp vào Xilanh trong một chu trình không kể đến hàm
lượng ẩm của không khí ,
SSHB
VG
ρη
=
(kg); (1.34)
− Hệ số dư lượng không khí α không kể đến hàm lượng ẩm,
0
Gg
G
ct

B
=
α
(1.35)
− Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu
00
LG
S
µ
=
(1.36)
− Khối lượng của 1 mol không khí ,
96,28=
S
µ
(kg/kmol);
− Hệ số dư lượng không khí α có kể đến hàm lượng ẩm,
d61,11
1
+
=
α
α
(1.37)
− Thời gian cháy trì hoãn tính theo công thức của V.X.Xêmnov,
( )
294,0
635,0
4,8217
kfkfm

i
TPC
=
τ
(1.38)
13
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 khí tới vách ống lót Xilanh,
kckcmmc
TPC
3
47,2=
α
(1.39)
trong đó:
+ P
kc
,

T
kc
: Áp suất và nhiệt độ khí cháy,

− Bề mặt trao đổi nhiệt tức thời của vách với môi chất công tác,






+
−
+=
ϕ
ε
π
π
S
S
D
D
F
w
12
2
(1.40)
trong đó:
+ S
ϕ

: Độ dịch chuyển tức thời của Piston,
)sin5,0cos1(5,0
2

ϕλϕ
ϕ
+−= SS
(1.41)
− Lượng nhiệt toả ra và tốc độ toả nhiệt tính theo công thức Vibe
Phần trăm nhiệt lượng toả ra theo góc quay trục khuỷu ,
















−
−−=
+1
908,6exp1
m
z
x
ϕ

θϕ
(1.42)
− Tốc độ toả nhiệt theo góc quay trục khuỷu ,
















−
−








−+

=
+1
908,6exp
1
908,6
m
zzz
m
d
dx
ϕ
θϕ
ϕ
θϕ
ϕϕ
(1.43)
trong đó:
+ m : Chỉ số đặc trưng cho sự phát triển sự cháy, chọn theo thực nghiệm m =
0,3 ÷ 1 ,
+
z
ϕ
: Thời gian cháy,
z
ϕ
= 50 ÷ 130
0
góc quay khuỷu,
+
θ

: Góc cháy ban đầu ,
θ
=
fs
ϕ
+
i
ϕ
,
+
fs
ϕ
: Góc phun sớm nhiên liệu,
+
i
ϕ
: Thời gian cháy trễ của nhiên liệu.
− Áp suất chỉ thị trung bình
S
i
i
V
L
P =
(1.44)
trong đó:
+ L
i
: Công chỉ thị của chu trình
− Công suất chỉ thị

60
z
nPiVN
isSi
µ
=
(1.45)
− Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị
αµ
η
iss
HS
i
PTRL
P
g
0
3600
=
(1.46)
− Hiệu suất chỉ thị
14
HsH
iss
i
PQ
PTRL
η
αµ
η

0
=
(1.47)
− Áp suất có ích trung bình
mic
P - P P =
(1.48)
trong đó:
+ P
m
: Áp suất tổn hao cơ giới
− Hiệu suất cơ giới
i
c
m
P
P
=
η
(1.49)
− Công suất có ích
mie
NN
η
=
(1.50)
− Suất tiêu hao nhiên liệu có ích
m
i
e

g
g
η
=
(1.51)
− Hiệu suất có ích
mie
ηηη
=
(1.52)
− Suất tiêu hao nhiên liệu trong 1h
Neg B
eh
=
. (1.53)
1.1.4. Lựa chọn chương trình tính
Phần tính nhiệt của động cơ sử dụng chương trình tính tự động theo phần mềm. 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: TS Lê Viết Lượng.
Tính toán cụ thể cho động cơ Diesel 6S35MC là động cơ hai kỳ tác dụng đơn ,đảo
chiều trực tiếp ,tăng áp bằng tua bin khí xả.
Hãng sản xuất: MAN B &W.
1.1.5. Các thông số nhập vào chương trình tính
− Nhiệt độ môi chất đầu quá trình nạp P
a
= 130000 (Pa);
− Nhiệt độ môi trường T
0
= 30 (

0
K);
− Áp suất môi trường P
0
= 103.000 (Pa);
− Số Xilanh i = 6
− Tỉ số nén ε = 14
− Vòng quay của động cơ n = 170 (v/p);
− Đường kính Xilanh D = 350 (mm);
− Hành trình Piston S = 1400 (mm).
1.1.6. Chương trình tính nhiệt
Phần chương trình chạy tính nhiệt của động cơ em để cuối luận
văn và không đánh số trang.
1.2. Kết quả từ chương trình tính
− Nhiệt độ cực đại của chu trình
T
zmax
= 2128,66 (K);
− Áp suất cực đạicủa chu trình
P
zmax
= 16,637 (Mpa);
− Áp suất chỉ thị trung bình
15
i
P
= 2,622 (MPa);
− Công suất chỉ thị
i
N

= 6004,85 (kW);
− Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị
i
g
= 0,1674 (kg/kWh);
− Áp suất có ích trung bình
c
P
= 2,44 (MPa);
− Công suất có ích của động cơ
e
N
= 558,99 (kW);
− Suất tiêu hao nhiên liệu có ích
e
g
= 0,1798 (kg/kWh);
− Suất tiêu hao nhiên liệu trong một giờ
h
B
= 1005 (kg/h).
CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN
PHỐI KHÍ
16
2.1. Lựa chọn hệ thống trao đổi khí
Dựa theo phương pháp chuyển động của dòng khí quét, có hai loại:
+ Quét vòng .
+ Quét thẳng .
2.1.1.Hệ thống quét vòng (Hình 2.1)

Hình:2.1 . Hệ thống quét vòng
Chú thích : 1 – Xilanh;
2 – Dòng khí;
3 – Piston.
Dòng khí quét theo đường vòng, lúc đầu từ khu vực
ĐCD của Piston men theo thành Xilanh đi lên, tới nắp Xilanh rồi đảo
chiều 180
0
rồi đi xuống ngược với chiều cũ. Các cửa thải và cửa quét của
hệ thống quét vòng đều được ở phần dưới của Xilanh, tại khu vực gần
ĐCD của đỉnh Piston, do Piston điều khiển đóng và mở.
Nhược điểm của phương pháp này là:
+ Hành trình của dòng khí dài.
+ Do dòng khí chạy vòng nên xảy ra hiện tượng không khí có lẫn
sản vật cháy.
2.1.2. Hệ thống quét thẳng (Hình: 2.2)
Quét thẳng là dòng khí quét theo đường thẳng từ dưới đi lên. Các cơ
cấu quét và thải (cửa khí hoặc Xupap) của hệ thống quét thẳng được đặt ở hai
17
đầu của Xilanh. Điều khiển việc đóng mở các cửa khí là do Piston hoặc Xupap
dùng trục cam.
Có hai loại :
+ Hệ thống quét thẳng qua cửa thải dùng trong loại động cơ đối đỉnh
+ Hệ thống quét thẳng qua Xupap xả, với các ưu điểm sau đây :
- Hành trình của nó trong Xilanh chỉ bằng một nửa so với quét vòng
.
- Do dòng khí chỉ đi một chiều từ dưới lên, nên khí quét có cơ hội
hoà trộn với sản vật cháy vì khí thải được đẩy ra ngoài tương đối sạch,
nhờ đó mà hệ số khi sót γ

r
nhỏ γ
r
= 0,05 ÷0,08 và áp có ích Pe lớn Pe =
0,55 ÷ 0,65 Mpa. Dùng Xupap thải để lựa chọn pha phối khí tốt nhất nhờ
đó để đạt hiệu suất lớn nhất. Hướng tiếp tuyến của các cửa quét, tạo lên
một vận động xoáy lốc hướng tiếp tuyến của môi chất mới giúp hoàn
thành hoà khí và chất lượng cháy tốt hơn.
Đây là hệ thống tương đối hoàn hảo, dễ sử dụng tăng áp bằng Tuabin
khí.



Hình 2.2. Hệ thống quét thẳng
Chú thích : 1 – Xilanh; 3 – Piston;
2 – Dòng khí; 4 – Xupap.
2.1.3. Lựa chọn hệ thống phân phối khí
Từ những phân tích ở trên ta chọn hệ thống quét thẳng qua Xupap.
Nếu lựa chọn hợp lý hình dạng, tiết diện lưu thông của Xupap kết hợp với
vị trí đặt Tuabin tăng áp sát Xilanh động cơ để giản tổn thất năng lượng
của khí thải, sẽ thu được hiệu quả cao.
18
2.2 Tính toán sơ bộ kích thước của cơ cấu phối khí
2.2.1. Tính toán sơ bộ kích thước của cơ cấu nạp (cửa quét) .( Hình: 2.3)
- Tổng chiều rộng của cửa quét (b
q
) Với động cơ quét thẳng qua
Xupap nên:
b
q

= ( 0,6 ÷ 0,75 ).П.D (mm) (2.1)
Với : D : Đường kính Xilanh, D = 350 (mm)
b
q
= ( 0,6 ÷ 0,75 ).3,14.350 (mm)
b
q
= ( 659,4 ÷ 824,25 ) (mm)
Chọn : b
q
= 750. (mm).
- Chiều cao của cửa quét h
q
(khoảng cách tính từ mép trên của cửa
quét đến đỉnh Piston khi Piston ở ĐCD).
Với một hàng cửa thì:
h
q
= ( 0,08 ÷ 0,15 ).S (mm) (2.2)
Trong đó : S : Hành trình của Piston, S = 1400 (mm)
h
q


= ( 0,08 ÷ 0,15 ).1400 (mm)
h
q
= ( 112 ÷ 210 ) (mm)
Chọn : h
q

= 150 (mm).
- Góc lệch α theo hướng tiếp tuyến,
Với động cơ sử dụng quét thẳng và một hàng cửa thì:
α = 8
0
÷ 25
0
(2.3)

Chọn : α = 15
0
.
- Góc nghiêng β được tạo thành bởi đường tâm Xilanh với đường
tâm cửa quét ,
Với động cơ quét thẳng , β = 70
0
÷ 90
0
(2.4)
Chọn : β = 80
0
.
- Muốn cho dòng khí quét đi theo hướng của cửa quét cần đảm bảo
chiều dài s và chiều rộng b
q
của cửa khí phải thoả mãn :
s = (1 ÷ 1,2 ) b
q
(mm) (2.5)

s = (1 ÷ 1,2 ).750 (mm)
s = (750 ÷ 900 ) (mm)
Chọn : s = 800 (mm).
- Hình dạng cửa quét: Chọn cửa quét hình chữ nhật .
- Số cửa quét : Số cửa quét được bố trí xung quanh Xilanh, nên chọn
6 cửa quét cho mỗi Xilanh.
19


Hình : 2.3 . Cơ cấu nạp
2.2.2. Tính toán sơ bộ kích thước cơ cấu thải (Hình : 2.4)
Hình 2.4. Xupap thải

20
α
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) (2.6)
trong đó :
D : Đường kính Piston, D = 350 (mm)
− Chiều cao mở của Xupap,

( )
h
dh 35,025,0

1
÷=
(mm) (2.7)
− Chiều rộng mặt nấm tiếp xúc với đế Xupap,

( )
53 ÷=e
(mm) (2.8)
− Đường kính ngoài của nấm Xupap,

edd
h
2+=
(mm) (2.9)
− Góc nghiêng của Xupap,

( )
0
4530 ÷=
α
(2.10)
− Đường kính đầu Xupap,
d
d
= (0,18 ÷ 0,25).d
h
(2.11)
− Bán kính góc lượn, r = 20
0
(2.12)

Kết quả:
d
h
= 100 (mm)
h
t
= 30 (mm)
e = 4 (mm)
d = 108 (mm)
α = 45
0
d
d
= 20 (mm)
r = 20
0
Từ các thông số trên, ta có tiết diện lưu thông lý thuyết là:
( )
ααπ
2sin5,0cos hdhf +=
(mm
2
) (2.13)
trong đó:
h : Hành trình (độ nâng) của Xupap,
( )
h
dhh 3,018,0
max
÷==

(mm) (2.14)
Chọn
24
=
h
(mm).
Kết quả:
f = 6420,6 (mm)
2
.
21
2.3. Xây dựng đồ thị thời gian tiết diện hình học (Hình: 2.5

Hình : 2.5 . Phương pháp xác định đồ thị tiết diện
- Sau khi chọn được hình dáng, kích thước, phương hướng và góc
phối khí của các cửa quét, cửa thải (Xupap thải) ta xây dựng đồ thị thời
gian tiết diện.
- Vẽ khai triển hình dạng, kích thước của các cửa khí theo mặt
gương của Xilanh lên bản vẽ .
- Vẽ nửa đường tròn Brich tâm O, bán kính S/2 có cùng tỉ lệ xích
như các cửa khí, nửa đường tròn phải tiết xúc với đường thẳng ngang của
gờ đỉnh Piston nằm ở ĐCD;
- Từ O dịch chuyển xuống đoạn : OO
,
= R.λ /2
Với : λ = R / L = S / 2L
trong đó : L : Chiều dài của biên.
Với động cơ trung tốc có guốc trượt:
λ = 1/ 2,3 ÷ 1/4
Chọn : λ = 1/4 .

⇒
OO
,
= R. λ /2 = R
2
/ 2.L = 87,5 . (mm)
- Từ O
,
vẽ cung tròn bán kính R
,
bất kì với R
,
< R. Từ mép trên
của cửa quét kẻ đường thẳng song song với trục hoành.Tung độ của đồ thị
là lưu thông, hoành độ của đồ thị là thời gian hoặc góc quay của trục
khuỷu cắt nửa vòng tròn tâm O.
- Xác định tỉ lệ thức của đồ thị:
+ Với trục hoành : Tính theo độ : m
Ф
= Ф
0
(đô/cm)
Tính theo giây : m
s
= Ф
0
/6n (s/cm) .
+ Với trục tung : m
f

= a (m
2
cm
- Tỷ lệ xích diện tích đồ thị xác định trị số thời gian diện tích của
các cửa khí :
22
M = m
s
.

m
s
= a . Ф
0
/6n (m
2
.s/cm
2
) .
trong đó :
n : Số vòng quay của trục khuỷu ; (v/ph)
- Để dựng đồ thị thời gian tiết diện ta dựng hệ trục φ – f . Trên trục
hoành biểu diễn góc quay trục khuỷu, với tỷ lệ tương ứng. Trên trục tung
biểu diễn giá trị thơì gian tiết diện, với tỷ lệ tương ứng.Ta được đố thị sau:





Hình 2.6. 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
1 - Quá trình quét
– Áp suất quét :
P
k
= 190000 (Pa) .
– Nhiệt độ không khí quét :

T
P
P
TT
m
m
k
k
∆−








=
−1
0
0

(
0
K) . (2.15)
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
Chọn: m = 1,4.
∆T : Nhiệt độ làm mát , ∆T = 50 (
0
C)
P
0
: Áp suất môi trường , P
0
= 103000 (Pa)
T
0
: Nhiệt độ môi trường , T
0
= 309 (
0
K).
23
t
f
f
q
A
1
t

q
f
f
1
D
A
ĐCD
H
c
M
B
H
Kết quả:
T
k
= 338,07 (
0
K).
– Hệ số dư lượng không khí quét:

K
ϕ
=
0.
00

TP
TP
K
K

ϕ
(2.16)
trong đó:
ϕ
0
: Hệ số dư lượng không khí quét lí thuyết;
ϕ
0
= (1,4 ÷ 2,4 )
Chọn: ϕ
0
= 2,4.
Kết quả:

K
ϕ
= 1,423.
– Hệ số quét:

V
K
η
ϕ
ϕ
=
(2.17)
Kết quả:

ϕ
= 1,5 .

2 - Quá trình thải
− Áp suất khí thải:
P
b
= 785118 (Pa) (theo chương 1).
− Nhiệt độ khí thải:
T
b
= 975,29 (
0
K) ( theo chương 1).
− 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,
P
th
= ( 0,75 ÷ 0,9 ).P
k
(Mpa) (2.18)
Chọn: P
th
= 160000 (Pa) .
− Áp suất trung bình trong xilanh thời kì thải cưỡng bức,
P
N
= a .(P
k
- P
th

) + P
th
(Mpa) . (2.19)
trong đó :
a : Hệ số giảm áp, với động cơ thải bằng Xupap,
a = ( 0,5 ÷ 0,9 ) thời gian tiết diện
Chọn : a = 0,8 .
Kết quả:
P
N
= 184000 (MPa).
− Thể tích Xilanh lúc bắt đầu thời kì nạp:
24

( )
4
.
05,19,0
2
D
V
N
π
÷=
(m
3
) (2.20)
Chọn : V
N
= 0,1 (m

3
) .
− Nhiệt độ sản vật cháy trong xilanh lúc bắt đầu thải cưỡng bức

m
m
b
N
bN
P
P
TT
1
)(
−
=
(
0
K) (2.21)
Với : m = 1,3 .
Kết quả:
T
N
= 632,88 (
0
K).
- Từ đồ thị thời gian tiết diện ta xác định được trị số thời gian tiết diện lý
thuyết của các thời kỳ :
+ Thời kỳ thải sớm :
A

0
ts
= 0,000345 (m
2
s)
+ Thời kỳ thải tự do :
A
0
td
= 0,00031 (m
2
s)
+ Thời kỳ thải cưỡng bức :
A
0
t
= 0,000422 (m
2
s)
+ Thời kỳ quét khí :
A
0
q
= 0,000236 (m
2
s) .
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 hai 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 thía 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 hai 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).
25
− 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
− Thời gian tiết diện của thải tự do: A
td

Sau đó so sánh với A
o
ts
, A

o
td
lý thuyết và đưa ra kết luận.
1 - 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) (2.22)
trong đó :
V
TB
: Thể tích trung bình của Xilanh lúc bắt đầu mở cửa thải đến
lúc bắt đầu mở cửa quét ; (m

2
s)
V
TB
= ( V
b
+ V
H
) / 2 (m
2
s) (2.23)
Với : V
b
: Thể tích của Xilanh lúc bắt đầu mở cửa thải;
V
b
= ( S - h
t
).π.D
2
/ 4 (m
3
)

(2.24)
V
H
: Thể tích của Xilanh lúc bắt đầu mở cửa quét;
V
H

= ( S – h
q
).π.D
2
/ 4 (m
3
) (2.25)

µ
: Hệ số lưu lượng của cơ cấu thải sớm.Với động cơ hai kì
quét thẳng ;
µ
= 0,6 ÷ 0,8
Chọn : μ = 0,6 .
Kết quả :
A
t
= 0,000362 (m
2
s) .
Kiểm tra lại theo công thức :
( )
1,19,0
0
÷=
td
td
A
A
(2.26)

td
td
A
A
0
= 0,953 ⇒ Thoả mãn.
2 - Trị số thời gian tiết diện 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)(2.27)
Kết quả :
26
td
A
= 0,00003345 (m
2
s) .
Kiểm tra lại theo công thức :
( )
1,19,0
0
÷=
td
td
A
A
(2.28)
td
td
A
A
0
= 0,927 ⇒ 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) (2.29)
trong đó:

V
k
: Thể tích riêng của khí quét , V
k
= 61,945 (m
3
)

k
ϕ
: Hệ số dư lượng khí quét ,
k
ϕ
= 1,6
T
N
: Nhiệt độ sản phẩm cháy trong Xilanh lúc bắt đầu thời kì thải
cưỡng bức , T
N
= 632,88 (
0
K)
T
n
: Nhiệt độ trung bình của khí trong Xilanh trong suốt thời kì
quét thải cưỡng bức;

2
kN
n

TT
T
+
=
(
0
K ) (2.30)
R : Hằng số , R = 287 (Jk /độ)

t
γ
: Hệ số lưu lượng tính toán ,
5,0=
t
γ
(tra bảng)

t
ψ
: Hàm số lưu lượng ,




















−








−
=
+
k
k
N
th
k
N
th
t
p

p
p
p
k
k
12
1
2
ψ
(2.31)
k : Hệ số đoạn nhiệt, (với sản vật cháy) k = 1,3
Kết quả :

t
A
= 0,000041 (m
2
s) .
Kiểm tra lại theo công thức:
( )
1,19,0
0
÷=
t
t
A
A
(2.32)
t
t

A
A
0
= 1,03 ⇒ Thoả mãn.
27
2.4.4. Xác định trị số thời gian tiết diện của các thời kì quét khí
Trị số thời gian tiết diện của thời kì quét khí được xác định bằng
công thức:

okqq
kH
q
Tp
TpV
A
ψµ
σ
00
0
59,0
=
(m
2
s) (2.33)
trong đó:

0
σ
: Hệ số dư lượng khí quét ,
0

σ
= 1,6
V
H
: Thể tích công tác của Xilanh,

4
2
D
V
H
π
=
(m
3
)
k : Chỉ số nén đoạn nhiệt, k = 1,3 ( 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
(2.34)
q
µ
: Hệ số lưu lượng của cơ cấu quét,
( )
75,07,0 ÷=
q
µ
( với động cơ quét thẳng)
Chọn:
75,0=
q
µ
.
Kết quả:
0
q
A
= 0,000014 ( m
2
s ).

Kiểm tra lại theo công thức:
( )
1,19,0
0
÷=
q
q
A
A

q
q
A
A
0
= 0,971 ⇒ Thoả mãn .
28
CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ MỘT SỐ THIẾT BỊ
CỦA HỆ THỐNG PHỐI KHÍ
29
Yêu cầu đối với hệ thống phân phối khí
Cơ cấu phân phối khí dùng để thực hiện quá trình thay đổi khí:
− Thải sạch sản vật cháy ra khỏi Xilanh.
− Nạp đầy khí hỗn hợp vào trong Xilanh để động cơ làm việc liên tục
đảm bảo đủ lượng khí và đúng thời gian quy định
Động cơ Diesel thường dùng các loại cơ cấu phối khí sau đây :
− Cơ cấu phân phối khí dùng Xupap.
− Cơ cấu phân phối khí dùng van trượt.
− Cơ cấu phân phối khí dùng cả Xupap và van trượt.

Khi tính toán và thiết kế hệ thống cơ cấu phân phối khí cần đảm bảo
các yêu cầu sau đây :
− Đóng mở đúng thời gian quy định.
− Độ mở lớn để dòng khí dễ lưu thông.
− Đảm bảo khí nạp và quá trình thải phải sạch.
− Ít mòn và tiếng kêu bé.
− Dễ điều chỉnh, sửa chữa và giá thành chế tạo rẻ.
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 mát 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 làm Xupap cần có cơ tính tốt ở nhiệt độ cao.
3.1. Cửa nạp (Hình: 3.1)
30