Đồ án thiết kế môn học diesel tàu thủy 2

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG

1


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

2


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ MẪU
1.1. Gới thiệu hãng wartsila
Wärtsilä là một tập đoàn đi đầu trong các công nghệ thông
minh và các giải pháp kỹ thuật nhằm đáp ứng các yêu cầu khắt
khe về môi trường và đặc tính kỹ thuật, kinh tế của chủ tàu.
Bằng cách nhấn mạnh sự đổi mới bền vững và phân tích dữ liệu,
Wärtsilä tối đa hóa hiệu suất kinh tế và môi trường của các tàu
và nhà máy điện cho khách hàng. Năm 2017 doanh thu của
Wärtsilä đạt 4,9 tỷ EUR với khoảng 18.000 nhân viên. Công ty có
hoạt động tại hơn 200 địa điểm tại hơn 80 quốc gia trên thế giới.
Động cơ của hãng Wärtsilä đem lại hiệu quả cao, lượng khí
thải thấp và hoạt động an toàn. Công nghệ lưỡng nhiên liệu
được cải tiến cho phép sự thay đổi linh hoạt giữa nhiên liệu khí
và lỏng.
Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO) đã sửa đổi các quy định ở
phụ lục VI của MARPOL về phát thải tàu thủy. Những quy định
này đặt ra các giới hạn nghiêm ngặt hơn về lượng khí thải NOx
từ động cơ, cũng như hàm lượng lưu huỳnh của nhiên liệu. Các
yêu cầu mới sẽ có hiệu quả trong nhiều giai đoạn từ 2010 2020.

Wärtsilä đã phát triển những giải pháp để đáp ứng các yêu
cầu này. Động cơ Wärtsilä được thiết kế để hoạt động với bất kỳ
hàm lượng lưu huỳnh nào trong nhiên liệu.
Wärtsilä đã phát triển một công nghệ làm sạch cho phép
xử lý khí thải để đáp ứng các quy định nghiêm ngặt.
Là tiên phong trong phát triển công nghệ, Wärtsilä có thể
làm giảm lượng khí thải Carbon thông qua thiết kế tàu, hiệu suất
động cơ, và các giải pháp tối ưu về thiết bị đẩy.

1.2. Thông số cơ bản của động cơ W4L20
- Giải thích mac động cơ W4L20:

-

W– Wartsila;
4 – Số xilanh;
L – Động cơ hình thùng;
20 – Đường kính xilanh.

Bảng 1.1. Thông số cơ bản của động cơ
ST
Thông Số
Kí
Gía Trị
T
Hiệu
1
Công Suất
Ne
800

3

Đơn
Vị
kW


2
3
4
5
6

Vòng Quay
Hành Trình Piston
Đường Kính Xilanh
Số Kỳ
Hãng Sản Xuất

7

Suất Tiêu Hao Nhiên
Liệu
Suất Tiêu Hao Dầu
Bôi Trơn
Số Xilanh
Khối Lượng Động Cơ

8
9

10

n
S
D
Z
Wartsi
la
ge

1000
0,28
0,2
4

rpm
m
m

195,3

g/kWh

g

0,5

g/kWh

i

M

4
7,2

Tấn

4


1.3. Đặc điểm động cơ

5


6


Hình 1.1. Mặt cắt ngang động cơ W4L20

Hình 1.2 kích thước động cơ

Hình 1. 3.Họ động cơ W4L20
Đây là động cơ của hãng Wartsila 4 kỳ, không đảo
chiều, tăng áp bằng tuabin khí xả, được làm mát liên tục
bằng nước ngọt 2 vòng tuần hoàn. Động cơ sử dụng nhiên
7


liệu dầu diesel. Động cơ sử dụng trục cam để điều khiển hệ

thống phun nhiên liệu nạp, xả.
Động cơ có dạng thùng, quay theo chiều kim đồng hồ,
động cơ chạy bằng dầu nhẹ (MDO) hoặc dầu nặng (HFO).
Trong khi vận hành động cơ có thể chuyển đổi linh hoạt từ
MDO sang HFO.
Tốc độ động cơ là 900-1000 vòng / phút với tần số 50 60 Hz. Động cơ có hiệu suất nhiệt tối đa lên tới 47%, cao
hơn so với bất kỳ động cơ nào khác.
- Những đặc điểm chính:
+ Là động cơ diesel ;
+ Tăng áp bằng tuabin khí xa ;
+ Bôi trơn bằng hệ thống dầu bôi trơn áp lực cao;
+ Nhiên liệu dùng HFO, MGO, MDO;
+ Làm mát bằng bằng nước ngọt thông qua thiết bị chưng cất nước biển
thành nước ngọt ;
+ Điều khiển cơ cấu phân phối khí bằng cơ cấu trục cam;
+Động cơ không đao chiều;
+Dễ dàng lắp đặt và tiết kiệm chi phí;
+Khoảng thời gian cần đại tu dài;
+Lượng khí thải thấp;
+Tiết kiệm nhiên liệu trên toàn bộ phạm vi hoạt động của
động cơ;
+ Tiêu chuẩn về khí thai theo yêu cầu của "Blauer Engel" (ít hơn 20%
khônghơn MARPOL 73/78).
1.4. Thông số các hệ thống phục vụ
Bảng 1.2 thông số hệ thống phục vụ
Wärtsilä 4L20
Công suất mỗi
kW
xilanh
Tốc độ động cơ

rpm
Công suất động cơ
kW
Áp suất có ích trung
MPa
bình
Hệ thống khí đốt (Lưu ý 1)
Ở 100% tải
kg/s
Nhiệt độ tối đa tại
cửa vào máy nén
°C
(tuabin)
Nhiệt độ sau khi làm mát
°C
không khí (TE601)

AE/DE

AE/DE

ME

185

200

200

900

740

1000
800

1000
800

2.8

2.73

2.73

1.4

1.51

1.51

1.51

45

45

45

45

50...70

50...70

50...70

50...70

8

ME
200
1000
800
2.73


Hệ thống xả khí (Lưu ý 2)
Ở 100% tải
kg/s
Ở 85% tải
kg/s
Ở 75% tải
kg/s
Ở 50% tải
kg/s
Nhiệt độ sau khi tăng áp,
tai 100%
°C
(TE517)

Nhiệt độ sau khi tăng áp,
tai 85%
°C
(TE517)
Nhiệt độ sau khi tăng áp,
tai 75%
°C
(TE517)
Nhiệt độ sau khi tăng áp,
tai 50%
°C
(TE517)
Áp suất lớn nhất.
kPa
Đường kính khí thải
tính toán cho 35
mm
m/s
Cân bằng nhiệt (Lưu ý 3)
Áo nước (HT)
kW
Khí nạp (HT)
kW
Dầu bôi trơn (LT)
kW
Bức xạ
kW
Hệ thống nhiên liệu (Lưu ý 4)
Áp suất trước khi phun
kPa

(PT101)
Áp suất trước khi bơm
nhiên liệu điều khiển
kPa
động cơ,
tối thiểu
Công suất máy bơm điều
m3/h
khiển động cơ
Lưu lượng nhiên liệu
m3/h
đến động cơ
Độ nhớt dầu HFO trước
cSt
động cơ
Tối đa Nhiệt độ dầu
HFO trước động cơ
°C
(TE101)
Nhiệt độ MDF trước
°C
động cơ (TE101)
Tiêu thụ nhiên liệu ở
g/kW
mức tai 100%, HFO
h
Tiêu thụ nhiên liệu ở
g/kW
mức tai 85%, HFO
h

Tiêu thụ nhiên liệu ở
g/kW
mức tai 75%, HFO
h
Tiêu thụ nhiên liệu ở
g/kW
mức tai 50%, HFO
h
Tiêu thụ nhiên liệu ở
g/kW
mức tai 100%, MDF
h
Tiêu thụ nhiên liệu ở
g/kW

1.44
1.32
1.16
0.84

1.56
1.44
1.28
0.92

1.56
1.4
1.2
0.8

1.56
1.44
1.28
0.92

363

356

363

356

328

328

330

328

328

328

340

328

348

348

368

348

5.0

5.0

5.0

5.0

306

317

319

317

160
248
116
32

168
272

124
32

168
272
124
32

168
272
124
32

700±50

700±50

700±50

700±50

15

15

15

15

0.78

0.87

0.87

0.87

0.65

0.71

0.71

0.71

16... 24

16... 24

16... 24

16... 24

140

140

140

140

45

45

45

45

198.2

200.1

201.0

200.6

196.2

197.1

197.1

197.6

197.0

199.0

196.4

199.4

209.4

211.3

201.2

211.8

197.2

199.1

200.1

199.6

195.3

196.3

196.3

196.8

9

mức tai 85%, MDF
Tiêu thụ nhiên liệu ở
mức tai 75%, MDF
Tiêu thụ nhiên liệu ở
mức tai 50%, MDF
Làm sạch lượng nhiên
liệu rò rỉ, gỗ MDF ở mức
tai 100%

h
g/kW
h
g/kW
h
kg/h

196.3

198.2

195.6

198.7

209.0

210.9

200.8

211.3

2.16

2.16

2.16

2.16

450

450

20

20

80

80

66

66

78

78

34

27

8.6 / 10.5

8.6 / 10.5

0.27

0.27

1.1

1.1

0.5

0.5

520

520

0.3

0.3

1.4...2.2

1.4...2.2

200 +
không đổi

200 +
không đổi

350

500

83

83

91

91

20

20

90

90

Hệ thống dầu bôi trơn
Áp lực trước gối đỡ

kPa
450
450
Khả năng hút, bao
gồm mất mát trong
kPa
20
20
đường ống
Áp lực mồi
kPa
80
80
Nhiệt độ trước gối
°C
66
66
đỡ
Nhiệt độ sau động
°C
78
78
cơ
Năng suất bơm
chính (điều khiển
m³/h
24
27
bởi động cơ)
Năng suất bơm mồi

m³/h
8.6 / 10.5
8.6 / 10.5
(50 / 60Hz)
Lưu lượng dầu qua
m³
0.27
0.27
động cơ
Lượng dầu trong hệ
thống két dầu riêng
m³
1.0
1.1
biệt
Tiêu thụ dầu ở
g/kW
0.5
0.5
100% tải
h
Khả năng thông gió
l/min
520
520
các te ở 100% tải
Áp suất thông gió
kPa
0.3
0.3

các te
Lưu lượng dầu hồi
liters
1.4...2.2
1.4...2.2
Hệ thống nước làm mát
Hệ thống nước làm mát nhiệt độ cao
Áp suất trung bình
200 +
200 +
trong động cơ sau
không
kPa
không đổi
bơm
đổi
Áp suất lớn nhất
trong động cơ sau
kPa
500
500
bơm
Nhiệt độ trước
°C
83
83
xilanh
Nhiệt độ sai khi làm
°C
91

91
mát khí nạp
Năng suất của bơm
do động cơ điều
m³/h
20
20
khiển
Độ giảm áp suất
kPa
90
90
trên động cơ

10


Độ giam áp suất trong hệ
thống bên ngoài, tối đa.

kPa

120

120

120

120

0.09

0.09

0.09

70...150

70...150

70...150

200 +
không
đổi

200 +
không đổi

200 +
không đổi

500

350

500

25...38

25...38

25...38

24

24

24

30

30

30

30

30

30

120

120

120

120

70...150

70...150

70...150

70...150

3000
3000

3000
3000

3000
3000

3000
3000

1800

1800

1800

1800

1.2

1.2

1.2

1.2

Lượng nước trong động
m³
0.09
cơ
Áp suất từ két giãn
kPa
70...150
nở
Hệ thống nước làm mát nhiệt độ thấp
Áp suất trung bình
200 +
trong động cơ sau
kPa
không đổi
bơm (PT451)
Áp suất lớn nhất
trong động cơ sau
kPa
500
bơm
Nhiệt độ lớn nhất
°C
25...38
trước động cơ

Năng suất của bơm
do động cơ điều
m³/h
23
khiển
Độ giảm áp suất
kPa
30
làm mát không khí
Độ giam áp suất trên bộ
kPa
30
làm mát dầu
Độ giam áp suất trong hệ
thống bên ngoài, tối đa.

kPa

Áp suất từ két giãn
kPa
nở
Hệ thống không khí khởi động
Áp suất trung bình
kPa
Áp suất lớn nhất
kPa
Giới hạn áp suất
thấp trong bình
kPa
chứa khí khởi động

Tiêu thụ mỗi lần
Nm3
khởi động

5 - 14 November 2018 3-3
Wärtsilä 20 Product Guide 3. Technical Data

CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CÔNG TÁC
CỦA ĐỘNG CƠ
2.1. Thông số đầu vào
Bảng 2. 1. Các thông số đầu vào của động cơ
STT

Tên thông số

1

Công suất có ích

Kí
hiệu
Ne

2

Tỉ số nén

ε

11

Công thức

Giá
trị
800
14

Đơn vị
Kw


3

Số vòng quay

n

1000

v/p

4

Đường kính xi lanh

D

0,2

m

5

Hành trình piston

S

0,28

m

6

Số xilanh

i

4

7

Số kì

z

4

8

Góc mở sớm xupap nạp

φ1

65

độGQTK

9

Góc đóng muộn xupap nạp

φ2

45

độGQTK

10

Góc mở sớm xupap thai

φ3

45

độGQTK

11

Góc đóng muộn xupap thai

φ4

55

độGQTK

12

Loại buồng cháy

13

Suất tiêu hao nhiên liệu

ge

195,3

g/kW.h

14

Suất tiêu hao dầu bôi trơn

g

0,5

g/kW.h

15

Loại hình làm mát

Làm mát động cơ
bằng nước ngọt

16

Bôi trơn

Có hệ thống cấp dầu
bôi trơn cưỡng bức

17

Tăng áp động cơ

tuabin tăng áp
L

2510

mm

W

1483

mm

H

1384

mm

mdc

7,2

tấn

15

độGQTK

18

Buồng cháy thống
nhất

Kích thước cơ ban, dài L, rộng W, cao H

19

Khối lượng động cơ (không bao gồm bánh đà)

20

Khởi động

21

Góc phun sớm nhiên liệu

Bằng khí nén
φ

2.2. Thông số công tác của động cơ
2.2.1. Thông số chọn trong quá trình tính toán
Bảng 2. 2. Thông số lựa chọn để tính toán
ST
T

Tên thông số

Kí
hiệu

Công thức

12

Giá trị

Đơn
vị

1

pk

(0,13-0,35)

0,277

Mpa

Plm

0,004

0,004

Mpa

3

Áp suất khí nạp
Tổn thất áp suất trung bình
làm mát
Áp suất môi trường

po

0,103

Mpa

4

Nhiệt độ môi trường

To

300

oK

5

Độ ẩm tương đối của kk

φo

0,8

6

Chỉ số đoạn nhiệt

m

7

Nhiệt độ khí nạp

Tk

8

Hệ số dư lượng không khí

α

9

Áp suất khí tăng áp

Ps

10

Áp suất cuối kì nạp

Pa

11

Áp suất khí sót

12

14

Nhiệt độ khí sót

Độ tăng nhiệt độ không khí
khi tiếp xúc
với thành vách xi lanh
Hệ số lợi dụng nhiệt tại z

15

2

(1,5-1,8); [2],tr 2
Tk=To.[Pk/Po]^[(m1)/m]; [1], tr226
(1,6-2,2); [1], tr 232

1,5
324,20
8
2
0,273
0,2320
5
0,118

Mpa

Pr

(0,13-0,35)
Pa=(0,85-1,1)Ps ; [1],
tr225; chọn 0.85Ps
(0,104-0,118)

Tr

(700-900); [1], tr 225

720

K

ΔT

(5-20); [1], tr 225

5

K

ξz

(0,86-0,98); [3], tr 57

0,75

Hệ số lợi dụng nhiệt tại b

ξb

(0,86-0,98); [3], tr 57

0,86

16

Tỉ số tăng áp

λ

(1,3-1,5); [1], tr 239

1,4

17

Loại nhiên liệu

13

18

Chọn thành phần NL

K

Mpa
Mpa

HFO
cacbo
n, C
hidro,

H
oxy, O
lưu
huỳnh,
S
HL
tro,W

19

Nhiệt trị thấp của NL

QH

19

Tốc độ trung bình của
Piston

Cm

[1], tr71

0,87

%

[1], tr71

0,126

%

[1], tr71

0,004

%

[1], tr71

0

%

[1], tr71

0

%

42700

KJ/k
g

9,333

m/s

Cm=S.n/30; [2], tr 1

2.2.2. Quá trình nạp
Bảng 2. 3. Thông số quá trình nạp
ST
T

Tên thông số

Ký
hiệu

13

Công thức

Giá trị

Đơ
n
vị


1

Nhiệt độ khí trước xupap nạp

Ts

Ts=Tk-ΔTlm; [1], tr225

2

Hệ số khí sót

γr

(0,01-0,02); [1], tr224

299,20
8
0,01

3

Độ tăng nhiệt độ không khí sau
khi tiếp xúc với thành vách xilanh

ΔT

(5-20); [1], tr225

5

K

4

Độ giam nhiệt độ khí nạp sau
khi đi qua sinh hàn gió tăng áp

ΔTl

(25-30); [1], tr225

25

K

5

Nhiệt độ cuối quá trình nạp

Ta

283,57
2

K

6

Hệ số nạp

ηH

m

Ta=(Ts+ΔT+Tr.γr-ΔTlm)/
(1+γr);

[1], tr226
ηH= [ε/(ε-1)] [(Pa.Ts)/
(Ps.Ta)] [1/(1+γr)];
[1], tr226

K

0,956

2.2.3. Quá trình nén
Bảng 2. 4. Các thông số quá trình nén
STT

Tên thông số

1

Chỉ số nén đa biến

2

Áp suất cuối qúa trình nén
Nhiệt độ cuối quá trình
nén

3

Kí
hiệu
n1

Công thức

Giá trị

Đơn
vị

chọn [1,38-1,42); [1], tr228

1,42

Pc

Pc=Pa.ε^n1; [1], tr229

9,842

Mpa

Tc

Tc=Ta.ε^(n1-1); [1], tr229

859,087

K

2.2.4. Quá trình cháy
Bảng 2. 5. Các thông số quá trình cháy

STT
1
2
3
4
5
6
9
10

Tên thông số

Kí
hiệu

Lượng không khí lý
thuyết để đốt cháy 1kg
Lo
NL
Lượng không khí thực
L
tế
Lượng mol sp cháy khi
M'
cháy hoàn toàn 1kg NL
Lượng mol san phẩm
ΔM'
cháy tăng lên
Hệ số thay đổi phân tử
βo

lí thuyết
Hệ số thay đổi phân tử
β
thực tế
Hệ số thay đổi phân tử
βz
tại điểm z
Tỉ nhiệt mol trung bình
Cv'
đẳng tích của không khí

Công thức

Giá trị

Đơn vị

[1], tr232

0,495

kmol/kg

L=α.Lo; [1], tr232

0,990

kmol/kgnl

M'=C/12+H/2+S/32+(α-0,21)Lo; [1],

tr233

1,022

kmol/kgnl

ΔM'=(8H+O)/32; [1], tr233

0,032

kmol/kgnl

βo=1+ΔM'/L ; [1], tr233

1,032

β=(βo+γr)/(1+γr); [1], tr234

1,032

βz=1+[(βo-1)/(1+γr)].(ξz/ξb); [2],tr3

1,028

Cv'=19,26+0,0025Tc; [2],tr3

21,408

14

kj/kmol.o
K


11

Tỉ nhiệt mol trung bình
đẳng tích của khí sót

Cv''

Cv''=20,47+0,0036.Tc; [2],tr3

23,563

kj/kmol.o
K

12

Tỉ nhiệt mol trung bình
đẳng áp của khí cháy

Cp''

Cp''=8,314+Cv''; [2],tr3

31,877

kj/kmol.o

K

13

Áp suất cháy cực đại và
tỉ số tăng áp xuất

Pz

Pz=λ.Pc; [1], tr240

13,779

Mpa

14

Nhiệt độ khí xa tại điểm
z

Tz

1.844,31
2

K

15

Tỉ số giãn nở sớm

ρ

Tz={(ξz.QH)/(α.Lo) +[Cv'+8,314λ
+γr(Cv'' +8,314λ)]Tc}/[βz(1+γr)Cp''];
[1], tr240
ρ=(βz.Tz)/(λ.Tc); [1], tr243

16

Tỉ số giãn nở sau

δ

δ=ε/ρ; [1], tr243

1,576
8,883

2.2.5. Quá trình giãn nở
Bảng 2. 6. Các thông số quá trình giãn nở
Công thức

Giá trị

Chỉ số giãn nở đa biến

Kí
hiệu
n2

(1,2-1,3); [1], tr243

1,250

2

Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở

Tb

Tb=Tz/δ^(n2-1);[1], tr242

1068,303

K

3

Áp suất cuối qt giãn nở
Kiểm nghiệm lại theo nhiệt độ khí
sót

Pb

Pb=Pz/δ^n2;[1], tr243

0,899

Mpa

Tr

Tr=Tb/3√(Pb/Pr); [2], tr5

711,736

K

STT

Tên thông số

1

4

Đơn
vị

2.2.6. Các thông số đặc trưng
Bảng 2. 7. Công suất có ích của động cơ
STT
1
2
3
4
5
6

Tên thông số
Áp suất chỉ thị
bình quân lý thuyết
Hệ số lượn góc đồ
thị
Áp suất chỉ thị
bình quân thực tế
Hiệu suất cơ giới
Áp suất có ích bình
quân
Suất tiêu hao NL
chỉ thị

Kí
hiệu

Công thức

Giá trị

Đơn vị

Pi'

Pi'=Pc/(ε-1){λ(ρ-1) +[λρ/(n2-1)](1-1/δn1-1) [1/(n1-1)](1-1/εn1-1)} ; [1], tr248

2,290

Mpa

ζ

(0,9-0,96); [1], tr249

0,9

Pi

Pi=Pi'.ζ; [1], tr248

2,910

ηm

(0,84-0,92); [1], tr255

0,84

Pe

Pe=Pi.ηm; [1], tr255

1,731

Mpa

gi

gi=(3600.Ps.hH)/(8,314.a.Lo.Ts.Pi) ; [1],
tr251

0,185

g/kW.h

7

Hiệu suất chỉ thị

ηi

ηi=3600/(gi.QH); [1], tr251

0,456

8

Hiệu suất có ích

ηe

ηe=ηi.ηm; [1], tr257

0,383

9

Công suất chỉ thị

Ni

Ni=13,1.D^2.S.n.i.0,5.Pi; [1], tr250

853,25

15

Mpa

Kw


10

11

của động cơ
Công suất có ích
của động cơ

Ne

Ne=Ni.ηm; [1], tr255

Kiểm tra lại
thông số

7
774,99
6

3,126

2.3. Xây dựng đồ thị P-V
2.3.1. Xây dựng đường cong nén.
p.Vn1 = cosnt => pc.Vcn1

Phương trình đường nén:
= pnx.Vnxn1
p nx

Rút ra ta có:
i=

Đặt :

Vnx
Vc

V
= pc . c
 Vnx





n1

,

pnx = pc .

.Ta có:

1
i n1

Trong đó: pnx và Vnx là áp suất và thể tích tại một điểm
bất kỳ trên đường nén.
i là tỉ số nén tức thời.
2.3.2. Xây dựng đường cong giãn nở.
Phương trình đường giãn nở: p.Vn2 = cosnt
pz.Vcn2 = pgnx.Vgnxn2
p gnx

Rút ra ta có:

Với :

V z = ρVC
p gnx =

Ta có:

 V 
= p z . z 
V 
 gnx 

n2

i=

và đặt :

=>

.
V gnx
Vc

.

p z .ρ n 2
i n2

Trong đó pgnx và Vgnx là áp suất và thể tích tại một điểm
bất kỳ trên đường giãn nở.
16

Kw


ε
Cho i tăng từ 1 đến
ta lập được bảng xác định tọađộ
các điểm trênđường nén và đường giãn nở.
Các điểm đặc biệt:
Các điểm đặc biệt
r(Vc;pr)

0,677

0,118

a(Va;pa)

9,473

0,232

c(Vc;pc)

0,677

9,842

z(Vc;pz)

1,067

13,78

b(Va;pb)

9,473

0,899

2.3.3. Vẽ đồ thị P-V

Bảng 2. 8. Bảng thông số P-V
pgn

V
(mm)

Pn
(mm)

Pgn
(mm)

i

V

pn

1

0,677

9,842

2,031

196,8

1,1

0,745

8,596

2,234

171,9

1,2

0,812

7,597

2,437

151,9

1,3

0,88

6,781

2,64

135,6

1,4

0,948

6,104

2,843

122,1

1,5

1,016

5,534

3,047

110,7

1,576

1,067

5,159

13,78

3,201

103,2

275,58

1,6

1,083

5,049

13,52

3,25

101

270,42

2

1,354

3,678

10,23

4,062

73,56

204,6

3

2,031

2,068

6,163

6,093

41,36

123,25

4

2,708

1,375

4,301

8,124

27,49

86,024

5

3,385

1,001

3,254

10,16

20,03

65,085

6

4,062

0,773

2,591

12,19

15,46

51,821

7

4,739

0,621

2,137

14,22

12,42

42,739

8

5,416

0,514

1,808

16,25

10,27

36,168

9

6,093

0,435

1,561

18,28

8,691

31,217

10

6,77

0,374

1,368

20,31

7,484

27,365

11

7,447

0,327

1,215

22,34

6,536

24,291

12

8,124

0,289

1,089

24,37

5,777

21,788

13

8,801

0,258

0,986

26,4

5,156

19,714

14

9,478

0,232

0,898

28,43

4,641

17,969

17


Hình 2. 1. Đồ thị công chỉ thị P-V
2.4. Xây dựng đồ thị công khai triển
2.4.1. Các góc đặc biệt trong chu trình
Bảng 2. 9. Góc mở sớm, đóng muộn và phun nhiên liệu
Góc phun sớm

15o trước ĐCT

c'

Góc mở sớm xupap nạp

60o trước ĐCT

r'

Góc đóng muộn xupap nạp

45 sau ĐCD
45o độ trước
ĐCD
60o độ sau
ĐCT

a''

Góc mở sớm xupap xả
Góc đóng muộn xupap xả

o

b'
r''

2.4.2. Thông số áp suất phụ thuộc vào góc quay trục
khuỷu
Bảng 2. 10. Bảng xây dựng đò thị công khai triển.
điểm

α

P(MPa
)

r

0

0,118

10

0,118

20

0,113

30

0,119

40

0,119

50

0,119

60

0,131

65

0,138

70

0,145

80

0,16

90

0,177

100

0,193

110

0,207

120

0,218

130

0,225

140

0,229

r''

18


a

a''

c''
c'
z

150

0,231

160

0,232

170

0,232

180

0,232

190

0,234

200

0,24

210

0,249

220

0,264

225

0,273

230

0,284

240

0,313

250

0,353

260

0,408

270

0,486

280

0,6

290

0,771

300

1,037

310

1,469

320

2,199

330

3,469

340

5,573

345

6,938

350

7,178

360

11,15

370

13,2

375

13,78

380

13,27

390

9,688

400

6,501

410

4,559

420

3,356

430

2,586

440

2,075

450

1,724

460

1,477

470

1,299

480

1,158

490

1,028

19


b'

b''

495

0,969

500

0,913

510

0,811

520

0,722

530

0,645

540

0,566

550

0,423

560

0,375

570

0,333

580

0,298

590

0,268

600

0,242

610

0,233

620

0,202

630

0,188

640

0,177

650

0,164

660

0,144

670

0,139

680

0,133

690

0,127

700

0,125

710

0,121

720

0,118

2.4.3. Vẽ đồ thị công khai triển

Hình 2. 2. Đồ thị công khai triển
2.5. Nguyên lý làm việc của động cơ và ý nghĩa của
đồ thị công
a) Nguyên lý làm việc
Kì 1: Nạp.
- Xupap nạp mở sớm ở 65 độ trước khi piston đi lên điểm
chết trên (điểm r’);

r

- Áp suất trong xilanh giảm, không khí trong đường ống nạp
đi vào xilanh qua cửa nạp nhờ sự chênh lệch áp suất;

20


- Xupap nạp vẫn mở và đóng ở 45 độ sau khi piston qua
điểm chết dưới (điểm a”).
Kì 2: Nén.

- Piston đi từ điểm chết dưới (điểm a) lên tới điểm chết trên
(điểm c);
- Piston đi lên làm thể tích trong xilanh giảm nên áp suất và
nhiệt độ của khí trong xilanh tăng.
Kì 3: Cháy – giãn nở.
- Nhiên liệu được phun sớm dưới dạng sương vào buồng đốt
ở 15 độ trước khi piston đi lên điểm chết trên (điểm c’);
- Nhiên liệu hòa trộn với khí nóng. Trong điều kiện áp suất
và nhiệt độ trong xilanh cao, hỗn hợp nhiên liệu-khí tự bốc
cháy sinh ra áp suất cao đẩy piston đi xuống, qua thanh
truyền làm trục khuỷu quay và sinh công.
Kì 4: Xả.
- Xupap xả mở sớm ở 45 độ trước điểm chết dưới (điểm b’)
và đóng muộn ở 55 độ sau điểm chết trên (điểm r”);
- Pit-tông đi lên từ điểm b đẩy khí thải trong xilanh qua cửa
thải ra ngoài;
Góc phun sớm của nhiên liệu: để cho nhiên liệu có khoảng
thời gian chuẩn bị cháy, để giai đoạn cháy, nhiên liệu và khí
được hòa trộn tốt, giai đoạn cháy sẽ tốt.
Góc mở sớm xupap nạp và đóng muộn xupap xả (góc trùng
điệp): Để nạp nhiều khí sạch vào hơn, tận dụng luồng khí sạch
để đẩy nốt khí xả ra ngoài (xả cưỡng bức), giảm lượng khí sót,
giảm công tổn thất cơ giới cho việc quét thải, làm sạch buồng
đốt.
Góc đóng muộn xupap nạp: tăng lượng khí nạp vào xilanh.
Góc mở sớm xupap xả: tăng cường quá trình xả tự do, tận
dụng năng lượng nhiệt của khí xả cho tuabin khí xả.
b) ý nghĩa của các đồ thị công
- Đồ thị công chỉ thị: Đồ thị công chỉ thị p-V là sự phụ thuộc
áp suất môi chất vào thể tích xi lanh trong một chu trình. Đồ

thị được xây dựng theo kết quả tính toán. Diện tích của đồ
thị chỉ thị biểu diễn công do khí sinh ra trong xi lanh sau
một chu trình, từ đó xác định được công suất chỉ thị do khí
tạo ra trong xi lanh;
- Đồ thị công khai triển: Đồ thị công khai triển p-α là sự phụ
thuộc áp suất môi chất vào góc quay trục khuỷu trong một

21


chu trình. Từ đồ thị ta có thể nhận biết được quá trình hoạt
động của động cơ.

22


CHƯƠNG 3. ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU
BIÊN KHUỶU
3.1. Phân tích lực tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu

Hình 3. 1. Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên cơ cấu biên
khuỷu
- Ta tiến hành phân tích lực tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu
đối với cơ cấu chính tâm, sơ đồ lực biểu diễn như sơ đồ trên.
Lực khí thể và lực quán tính đều tác dụng lên piston, có
phương trùng với đường tâm piston, có hướng phụ thuộc
vào góc quay trục khuỷu, có điểm đặt tại chốt piston.
- Sau khi cộng lại ta có trị số tổng hợp lực:
- Khi lượng nhiên liệu cấp cho chu trình không đổi, thì quan
hệ giữa Pkt và Pj phụ thuộc vào vòng quay động cơ, vòng

quay càng lớn thì Pj càng lớn.
- Lực Pt tại tâm chốt piston được chia làm hai thành phần:
+ Thành phần lực thứ nhất N gọi là lực đẩy ngang, có
điểm đặt tại tâm chốt pisotn, có phương vuông góc với
đường tâm xilanh, có hướng phụ thuộc vào góc quay trục
khuỷu, có trị số:
N = Pt./cosβ
23


+ Trong quá trình động cơ hoạt động lực đẩy ngang N
gây nên va đập giữa piston với thành ống lót xilanh, lực đẩy
ngang N là một trong những yếu tố dùng để xác định chiều
dài dẫn hướng piston
+ Thành phần lực thứ hai Pb có điểm đặt tại tâm chốt
piston, có phương trùng với đường tâm biên, có hướng phụ
thuộc vào góc quay trục khuỷu, có trị số:
Pb = Pt/cosβ
+ Thành phần Pb tác dụng lên thân biên, giá trị P b là một
trong các cơ sở tính độ bền thân biên.
- Chuyển lực Pb đến tâm cổ biên và chia thành hai phần
+ Thành phần lực tiếp tuyến T có điểm đặt tại tâm cổ
biên, có phương tiếp tuyến với bán kính quay khuỷu trục, có
hướng phụ thuộc vào góc quay trục khuỷu.
+ Thành phần lực pháp tuyến Z có điểm đặt tại tâm cổ
biên, có phương trùng với tâm má khuỷu, có hướng phụ
thuộc vào góc quay trục khuỷu.
- Khi chuyển song song lực T vào tâm cổ trục , khi đó sẽ tạo
thành một ngẫu T, T1 (do chuyển lệch tâm) và một lực T 2.
Lực T1 và T2 có điểm đặt tại tâm cổ trục, có phương song

song với lực T và có chiều ngược nhau. Cặp lực T, T 1 tạo nên
momen quay Mq truyền cho trục khuỷu
- Chuyển lực Z vào tâm cổ trục ( chuyển chính tâm, tạo
thành lực Z1. Hợp Z1 và T2 tạo thành Pb1 có phương song
song với Pb, trị số và chiều tác dụng như Pb. Lực này tác
dụng lên ổ đỡ trục khuỷu. Lực P b1 cũng là hợp lực của hai
thành phần:
- Từ sơ đồ lực ta thấy, thành phần N 1 song song với N, cùng
trị số nhưng ngược chiều, cách nhau một khoảng H, nên sẽ
tạo ra momen Ml, gọi là momen lật. Momen lật có giá trị
bằng momen quay, nhưng ngược chiều. Momen lật tác dụng
lên bệ đỡ, gây rung động động cơ, giá trị M l là một trong các
cơ sở dùng để tính bệ đỡ và bu lông bệ động cơ. Để giảm
momen lật cần giảm khoảng cách H
- Ngoài các lực đã phân tích trên, cơ cấu biên khuỷu còn
chịu tác dụng của lực quán tính li tâm C của khối lượng
tham gia chuyển động quay. Lực này cũng là lực không cân
24


bằng, có điểm đặt tại tâm cổ biên, có phương trùng với
đường tâm má khuỷu, có chiều li tâm. Thông qua khuỷu
trục và ổ đỡ trục khuỷu, lực C tác dụng lên khung bệ và gây
ra dao động động cơ.
- Như vậy, lực tác dụng lên cổ biên gồm có: T, Z và một
phần lực quán tính li tâm của khối lượng đầu to biên tham
gia chuyển động quay
- Sau khi nghiên cứu hệ lực tác dụng lên động cơ trong quá
trình hoạt động có thể rút ra một số nhận xét:
+ Lực khí thể là lực vô hướng, tác dụng lên nắp xilanh,

thân động cơ và đỉnh piston.
+ Lực quán tính Pj của khối lượng tham gia chuyển
động tịnh tiến, có điểm đặt quy ước tại tâm chốt piston, có
phương tác dụng trùng với đường tâm xilanh, có chiều phụ
thuộc góc quay trục khuỷu. Lực quán tính C của khối lượng
tham gia chuyển động quay có giá trị không đổi, có điểm
đặt quy ước tại tâm cổ biên, phương tác dụng trùng với
đường tâm má khuỷu, có chiều li tâm
+ Tổng hợp lực khí thể và lực quán tính Pt của khối
lượng tham gia chuyển động tịnh tiến, có điểm đặt quy ước
tại tâm chốt piston,có phương tác dụng trùng với đường
tâm xilanh, có chiều quay phụ thuộc vào góc quay trục
khuỷu. Hợp lực này tác dụng lên thân biên để tạo nên
momen quay, đồng thời Pt tác dụng lên thân động cơ và ổ
đỡ trục khuỷu
+ Trong quá trình khai thác động cơ momen quay Mq
cân bằng với momen cản do thiết bị tiêu thụ năng lượng tạo
ra momen quán tính của hệ chuyển động quy về tâm trục
khuỷu
3.2. CÁC THÔNG SỐ CẦN CHO TÍNH TOÁN
3.2.1. Thông số đầu vào
Bảng 3. 1. Thông số cần thiết để tính toán
Tên thông số
Đường kính xy lanh
Hệ số với Piston gang
Hệ số với biên làm
bằng thép rèn

Ký
hiệu

D
K1

Chọn

Giá trị

Hồ sơ máy
[4], tr1

0,2
3

Đơn
vị
m
kG/m3

K2

[4], tr1

3,5

kG/m3

25