Nghiên cứu lực tác dụng lên cổ biên trong quá trình khai thác động cơ diesel 4 kỳ_2

ứng với 75% lượng nhiên liệu cấp cho chu trình 36,75kg/h 3.4.4 Đồ thị biểu diễn các thông số công tác của động cơ diesel thay đổi theo góc quay trục khuỷu của động cơ diesel khi giảm góc

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Phạm Việt Dũng, sinh ngày 16 tháng 05 năm 1987, là học viên lớp

cao học Khai thác bảo trì tàu thủy, khóa học 2012 – 2014, Trường Đại học Hàng

Hải Việt Nam, hiện đang công tác tại Khoa Máy tàu thủy– Trường Cao đẳng nghề

VMU – Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam

Tôi xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu lực tác dụng lên cổ biên trong quá

trình khai thác động cơ diesel 4 kỳ” là công trình nghiên cứu khoa học của riêng

tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ, trích dẫn rõ ràng Tác

giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn phù hợp với nội dung đề

cương Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng khoa học và trước

pháp luật

Hải Phòng, ngày 22 tháng 10 năm 2015

Học viên

KS PHẠM VIỆT DŨNG

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự động viên, giúp đỡ

và hướng dẫn tận tình của thầy GS.TS Lê Viết Lượng, luận văn thạc sĩ kỹ thuật

với đề tài “Nghiên cứu lực tác dụng lên cổ biên trong quá trình khai thác động cơ

diesel 4 kỳ” đã hoàn thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo

hướng dẫn,các giảng viên chuyên ngành Khai thác, bảo trì tàu thủy, Viện Đào tạo

Sau Đại học, Trường Cao đẳng Hàng hải VN- Trường Đại học Hàng Hải Việt

Nam, cùng các bạn đồng nghiệp và gia đình đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình

học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn

Hải Phòng, tháng 10 năm 2015

Tác giả luận văn

KS PHẠM VIỆT DŨNG

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC VÀ ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL 4 KỲ 3

1.1 Các chế độ làm việc của động cơ diesel tàu thuỷ 3

1.2 Đặc tính của động cơ diesel tàu thuỷ 8

1.3 Sự phối hợp làm việc giữa đặc tính ngoài của động cơ và đặc tính chong chóng .14

Chương 2 CƠ SỞ TÍNH LỰC TÁC DỤNG LÊN CỔ BIÊN TRONG QUÁ TRÌNH KHAI THÁC ĐỘNG CƠ DIESEL 4 KỲ 17

2.1 Tổng hợp công thức tính chu trình công tác của động cơ diesel 17

2.2 Độ dịch chuyển, vận tốc và gia tốc chuyển động của nhóm piston 22

2.3 Lực tác dụng lên cổ biên, cổ trục 25

2.4 Các thông số phục vụ cho tính toán 28

Chương 3 TÍNH LỰC TÁC DỤNG LÊN CỔ BIÊN TRONG QUÁ TRÌNH KHAI THÁC ĐỘNG CƠ ĐỐI VỚI ĐỘNG CƠ 6NVD36-U 32

3.1 Các thông số kết cấu và thông số kỹ thuật động cơ 6NVD36-U 32

3.2 Một số thông số bổ sung và sơ đồ khối tính chu trình công tác của động cơ diesel .34

3.3 Xây dựng sơ đồ khối và lập chương trình tính hệ lực tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu động cơ diesel 36

3.4 Áp dụng tính chu trình công tác của động cơ 6NVD36-U 37

3.6 Phân tích kết quả thu được 86

KẾT LUẬN 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… ……… .91

DANH MỤC CÁC BẢNG

2.1 Hệ số K1, K2 với piston và biên vật liệu khác nhau 30

2.2 Khối lượng tương đối mtt, mqk với các loại động cơ khác

nhau

31

3.1 Một số thông số chủ yếu của động cơ 6NVD36-U 32

3.2 Một số thông số công tác của chu trình ứng với điều kiện thiết

kế

39

3.3 Bảng so sánh sự thay đổi các thông số khi thay đổi điều kiện

môi trường làm việc T0=3150K, P0=1,01Mpa, Độ ẩm 78% so với điều kiện chuẩn

40

3.4.1 Một số thông số công tác khi cấp 75% lượng nhiên liệu cho

động cơ với điều kiện môi trường chuẩn

41

3.4.2 So sánh một số thông số công tác của chu trình khi giảm góc

phun sớm 20TK so với ban đầu

43

3.4.3 So sánh một số thông số công tác của chu trình khi tăng góc

phun sớm 20TK so với ban đầu

45

3.4.4 So sánh một số thông số công tác của chu trình khi khởi động

so với chế độ khai thác định mức

46

3.4.5 So sánh một số thông số công tác của chu trình khi động cơ

chạy quá tải so với chế độ khai thác định mức

47

3.5.1 Bảng một số thông số chủ yếu phục vụ tính lực quán tính 50

3.5.2 Giá trị sx, vp, Jp theo góc quay trục khuỷu (α = 0 ÷ 3600) 51

3.5.3 Bảng tra để tính Pb, T, Z theo góc quay trục khuỷu α

3.5.4 Các giá trị Pkt, Pj, Pt theo góc quay trục khuỷu với trường

hợp động cơ làm việc ứng với điều kiện chuẩn nơi thiết kế

55

3.5.5 ác giá trị của Pb, T, Z theo góc quay trục khuỷu α với trường

hợp động cơ làm việc ứng với điều kiện chuẩn nơi thiết kế

57

3.5.6 Các giá trị Pkt, Pj, Pt theo góc quay trục khuỷu với trường 59

hợp động cơ làm việc ở chế độ khai thác định mức 3.5.7 Các giá trị của Pb , T, Z với trường hợp động cơ làm việc ở

chế độ khai thác định mức

61

3.5.8 Các giá trị Pkt , Pj , Pt theo góc quay trục khuỷu với trường

hợp động cơ làm việc ứng với lượng nhiên liệu cấp cho chu trình giảm

63

3.5.9 ác giá trị của Pb , T, Z theo góc quay trục khuỷu α với trường

hợp động cơ làm việc ứng với lượng nhiên liệu cấp cho chu trình giảm

65

3.5.10 Các giá trị Pkt , Pj , Pt theo góc quay trục khuỷu với trường

hợp động cơ làm việc ứng với giảm góc phun sớm

67

3.5.11 Các giá trị của Pb , T, Z theo góc quay trục khuỷu α với

trường hợp động cơ làm việc ứng với giảm góc phun sớm

69

3.5.12 Các giá trị Pkt , Pj , Pt theo góc quay trục khuỷu với trường

hợp động cơ làm việc ứng với tăng góc phun sớm

71

3.5.13 Các giá trị của Pb , T, Z theo góc quay trục khuỷu α với

trường hợp động cơ làm việc ứng với tăng góc phun sớm

73

3.5.14 Các giá trị Pkt , Pj , Pt theo góc quay trục khuỷu với trường

hợp động cơ làm việc khi công suất quá tải

75

3.5.15 Các giá trị của Pb , T, Z theo góc quay trục khuỷu α với

trường hợp động cơ làm việc khi công suất quá tải

77

3.5.16 Các giá trị Pkt , Pt theo góc quay trục khuỷu với trường hợp

động cơ làm việc ở chế độ khởi động

79

3.5.17 Các giá trị của Pb , T, Z theo góc quay trục khuỷu α với

trường hợp động cơ làm việc ở chế độ khởi động

81

3.5.18 So sánh một số thông số công tác của chu trình khi khởi động

so với chế độ khai thác khác

85

1.4 Đồ thị biểu diển sự phối hợp công tác giữa động cơ và chong

chóng khi điều kiện khai thác không thay đổi

14

1.5 Đồ thị biểu diển sự phối hợp công tác giữa động cơ và chong

chóng khi điều kiện khai thác thay đổi

15

2.1 Đồ thị thay đổi độ dịch chuyển piston theo góc quay trục

khuỷu

23

2.2 Sự thay đổi vận tốc piston theo góc quay trục khuỷu 24

2.3 Sự thay đổi gia tốc piston theo góc quay trục khuỷu 24

2.4b Kết cấu mă ̣t cắt ngang đô ̣ng cơ diesel 4 kỳ Wartsila 20 26

3.1 Kết cấu mă ̣t cắt ngang đô ̣ng cơ diesel 4 kỳ 6NVD36U 33

3.2 Sơ đồ khối tính toán chu trình công tác động cơ diesel 35

3.3 Sơ đồ khối tính hệ lực tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu 36

3.4.1 Đồ thị biểu diễn các thông số công tác của động cơ diesel thay

đổi theo góc quay trục khuỷu ứng với điều kiện chuẩn

T0=2930K, P0=103000Pa, Độ ẩm 60%,fs=26o

38

3.4.2 Đồ thị biểu diễn các thông số công tác của động cơ diesel thay

đổi theo góc quay trục khuỷu của động cơ diesel khi thay đổi điều kiện môi trường làm việc: T0=3150K, P0=103000Pa, độ

ẩm 80%,fs=260

39

3.4.3 Đồ thị biểu diễn các thông số công tác của động cơ diesel thay

đổi theo góc quay trục khuỷu của động cơ diesel khi đặt tay ga

42

ứng với 75% lượng nhiên liệu cấp cho chu trình (36,75kg/h) 3.4.4 Đồ thị biểu diễn các thông số công tác của động cơ diesel thay

đổi theo góc quay trục khuỷu của động cơ diesel khi giảm góc phun sớm 20TK

44

3.4.5 Đồ thị biểu diễn các thông số công tác của động cơ diesel thay

đổi theo góc quay trục khuỷu của động cơ diesel khi tăng góc phun sớm 20TK

45

3.4.6 Đồ thị biểu diễn các thông số công tác của động cơ diesel thay

đổi theo góc quay trục khuỷu ứng với chế độ khởi động động

cơ diesel (tương đương cấp 130% nhiên liệu cho chu trình – khi đó van an toàn nhảy)

46

3.4.7 Đồ thị biểu diễn các thông số công tác của động cơ diesel thay

đổi theo góc quay trục khuỷu ứng với chế độ quá tải động cơ diesel (tương đương cấp 110% nhiên liệu cho chu trình)

3.5.3 Đồ thị lực Pb, T, Z theo góc quay trục khuỷu α với trường

hợp động cơ làm việc ứng với điều kiện chuẩn nơi thiết kế

59

3.5.4 Đồ thị lực Pkt , Pj , Pt theo góc quay trục khuỷu α với trường

hợp động cơ làm việc ở chế độ khai thác định mức

61

3.5.5 Các giá trị của Pb , T, Z với trường hợp động cơ làm việc ở

chế độ khai thác định mức

63

3.5.6 Các giá trị của Pkt , Pj , Pt với trường hợp động cơ làm việc

ứng với lượng nhiên liệu cấp cho chu trình giảm

65

3.5.7 Các giá trị của Pb , T, Z với trường trường hợp động cơ làm

việc ứng với lượng nhiên liệu cấp cho chu trình giảm

67

3.5.8 Các giá trị của Pkt , Pj , Pt với trường hợp động cơ làm việc

ứng với giảm góc phun sớm

69

3.5.9 Các giá trị của Pb , T, Z với trường hợp động cơ làm việc ứng

với giảm góc phun sớm

71

3.5.10 Các giá trị của Pkt , Pj , Pt với trường hợp động cơ làm việc

ứng với tăng góc phun sớm

73

3.5.11 Các giá trị của Pb , T, Z với trường hợp động cơ làm việc ứng

với tăng góc phun sớm

75

3.5.12 Các giá trị của Pkt , Pj , Pt với trường hợp động cơ làm việc

khi công suất quá tải

77

3.5.13 Các giá trị của Pb , T, Z với trường hợp động cơ làm việc khi

công suất quá tải

3.5.16 Các giá trị Pb trong 4 trường hợp khai thác ở chế độ định

mức, chế độ quá tải, chế độ khởi động, chế độ tăng góc phun sớm

84

3.5.17 Các giá trị Pb trong 4 trường hợp khai thác ở chế độ định

mức, chế độ quá tải, chế độ khởi động, chế độ tăng góc phun sớm

85

MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Trong quá trình khai thác động cơ diesel thì các chế độ làm việc luôn thay

đổi, đặc biệt là động cơ chính tàu thủy Động cơ diesel được thiết kế và chế tạo

ứng với chế độ định mức là chế độ làm việc lâu dài và được nhà chế tạo đảm bảo,

nên khi khai thác khác với các chế độ khác với định mức thì chất lượng làm việc

của động cơ xấu đi, hệ lực tác dụng lên các chi tiết của động cơ thay đổi so với

điều kiện chuẩn Mức độ thay đổi nhiều hay ít phụ thuộc vào chế độ làm việc của

động cơ Để hiểu rõ điều đó nhằm khai thác động cơ hiệu quả và kéo dài tuổi thọ

động cơ nói chung và khuỷu trục nói riêng thì cần nghiên cứu bức tranh tổng thể

về các lực tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu trong quá trình khai thác động cơ Cũng

từ đó người khai thác xác định được nguyên nhân hư hỏng các chi tiết chịu lực

nặng nề, trong đó có cụm bạc – trục cổ biên là một trong các cụm chi tiết hay hư

hỏngnhất trong quá trình khai thác Căn cứ vào đó có thể xây dựng qui trình khai

thác hợp lý, kéo dài tuổi thọ của chúng và nếu có bị hư hỏng thì cũng xây dựng

được qui trình sửa chữa phù hợp, giảm chi phí và thời gian cho việc sửa chữa

Do vậy,em chọn đề tài luận văn tốt nghiệp thạc sĩ: “Nghiên cứu lực tác dụng

lên cổ biên trong quá trình khai thác động cơ diesel 4 kỳ”

2 Mục đích nghiên cứu

Xác định lực tác dụng lên cổ biên của động cơ diesel 4 kỳ trong quá trình khai

thác

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:Động cơ diesel 4 kỳ

Phạm vi nghiên cứu:Nghiên cứu lực tác dụng lên cổ biên đối với động cơ

diesel 4 kỳ bố trí một hàng xi lanh thẳng đứng

4 Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp áp dụng tính toán

cho trường hợp cụ thể

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

Ý nghĩa khoa học của đề tài:Góp phần làm rõ hơn phương pháp tính lực tác

dụng lên cổ biên của động cơ diesel 4 kỳ bố trí một hàng xi lanh thẳng đứng

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:Mô tả bức tranh tổng thể về hệ lực tác dụng lên

cơ cấu biên khuỷu nói chung và các lực tác dụng lên cổ biên nói riêng nhằm

khuyến nghị, định hướng người sử dụng động cơ diesel khai thác đạt hiệu quả cao

và kéo dài tuổi thọ động cơ nói chung, nói riêng đối với nhóm biên khuỷu

Chương 1 CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC VÀ ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ

DIESEL 4 KỲ

Để có cơ sở nghiên cứu lực tác dụng lên cổ biên trong quá trình khai thác động cơ diesel 4 kỳ nhằm nâng cao tuổi thọ của nó thì cần phân tích rõ các chế độ

làm việc và đặc tính động cơ Từ đó, có thể tính toán hay phân tích, đánh giá đối

với các trường hợp khai thác đặc biệt, ứng với các trường hợp này thì các lực tác

dụng lên cổ biên lớn nhất hay khắc nghiệt nhất Vì vậy trong chương này trình bày

chủ yếu về các chế độ làm việc và đặc tính động cơ

1.1 Các chế độ làm việc của động cơ diesel tàu thuỷ

Động cơ diesel tàu thuỷ làm việc trong các điều kiện thay đổi tải có tính chu kỳ do tác động của các yếu tố bên ngoài và bên trong Đối với động cơ chính cần

phải lựa chọn chế độ làm việc sao cho đảm bảo chất lượng quá trình công tác tối

ưu, tính kinh tế cao và ứng suất cơ, nhiệt nằm trong giới hạn cho phép Mỗi chế độ

làm việc của động cơ được đặc trưng bằng các thông số khai thác kỹ thuật xác

định

Khi phân tích sự làm việc của động cơ, người ta phân ra các chế độ ổn định

và các chế độ không ổn định Các yếu tố đặc trưng cho quá trình công tác của động

cơ ở chế độ ổn định không thay đổi theo thời gian Đối với các chế độ không ổn

định, do mất cân bằng giữa mômen quay và mômen cản nên các thông số của quá

trình công tác thay đổi theo thời gian Phụ thuộc vào loại tàu và điều kiện khai

thác, động cơ chính có thể làm việc ở chế độ ổn định hay không ổn định

1.1.1 Chế độ làm việc ổn định của động cơ

Chế độ làm việc ổn định của động cơ là chế độ làm việc mà hai thông số mômen và vòng quay không thay đổi theo thời gian Các chế độ này diễn ra khi

phụ tải ổn định, phương tiện vận tải thủy hoạt động trong điều kiện trên biển sóng

gió nhẹ, phương tiện vận tải bộ hoạt động trên đường bằng phẳng Nói chung khi

làm việc ở chế độ ổn định công suất động cơ phát ra cấp cho thiết bị tiêu thụ năng

lượng thay đổi với mức độ nhỏ nên giả định như không thay đổi

Chế độ ổn định tải của động cơ được quyết định bởi công suất và vòng quay

Công suất động cơ được phân thành các dạng sau:

- Công suất định mức N eH: là công suất có ích do động cơ phát ra ứng với vòng quay định mức nH được nhà sản xuất đảm bảo khi làm việc trong điều kiện

nhất định

- Công suất cực đại N emax: là công suất có ích do động cơ phát ra trong thời gian ngắn không vượt quá 10% NeH với điều kiện môi trường và điều kiện làm việc

nhất định Theo quy định, sau 6 giờ làm việc ở chế độ định mức động cơ có thể

làm việc ở chế độ công suất cực đại trong khoảng 1 giờ

- Công suất sử dụng N esd: là công suất có ích của động cơ phát ra không giới hạn thời gian Trong quá trình khai thác động cơ diesel tàu thuỷ thường dùng công

suất sử dụng, Nesd ≈ (0,8÷0,9) NeH

- Công suất tiết kiệm N etk: là công suất có ích ứng với suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất, động cơ phát ra không giới hạn thời gian Để tiết kiệm nhiên liệu nên

khai thác động cơ ở chế độ này

- Công suất cực tiểu N emin: là công suất nhỏ nhất động cơ có thể làm việc không hạn chế thời gian, công suất này đánh giá khả năng chạy chậm của tàu thuỷ

- Công suất ứng với vòng quay ổn định nhỏ nhất: là công suất do động cơ

phát ra ứng với vòng quay không lớn hơn 30% vòng quay định mức

Đặc tính các chế độ làm việc của động cơ không phụ thuộc vào loại thiết bị tiêu thụ và là tổng hợp các thông số của hệ thống không thay đổi theo thời gian

Các thông số công tác của chu trình ở các chế độ ổn định được dùng làm tiêu chuẩn để đánh giá sự hoàn thiện của chu trình ở các chế độ không ổn định

1.1.2 Chế độ làm việc không ổn định của động cơ

Chế độ làm việc không ổn định của động cơ là chế độ mà mômen và vòng quay củađộng cơ luôn thay đổi theo thời gian Hệ động cơ - phụ tải chuyển từ chế

độ ổn định này sang chế độ ổn định khác phải trải qua các chế độ không ổn định

trung gian, các chế độ không ổn định trung gian được gọi là chế độ chuyển tiếp

Khi đó phụ tải thay đổi theo thời gian nên các thông số công tác của động cơ cũng

thay đổi theo thời gian Các đặc tính của chế độ không ổn định của động cơ phụ

thuộc không chỉ vào động cơ mà còn phụ thuộc vào nguồn tiêu thụ năng lượng

Sự làm việc của động cơ ở chế độ không ổn định khác với ở chế độ ổn định,

do quán tính của các hệ thống tự động điều chỉnh, cấp nhiên liệu, trao đổi khí và

trạng thái nhiệt các chi tiết So với các chế độ ổn định thì ở các chế độ không ổn

định hệ số dư lượng không khí thay đổi do thay đổi lượng không khí và lượng

nhiên liệu cấp vào cho động cơ, chất lượng phun nhiên liệu và hoà trộn nhiên liệu

xấu đi, ứng suất nhiệt và cơ lên các chi tiết động cơ thay đổi, hiệu suất cơ giới cũng

thay đổi theo Sự thay đổi trên dẫn đến giảm thực sự tính kinh tế nhiên liệu của

động cơ, tăng ứng suất nhiệt lên các chi tiết nặng tải, tăng độ mài mòn các chi tiết

làm việc, phân phối lại tải giữa các xilanh Sau đây trình bày một số chế độ làm

việc không ổn định của động cơ

a)Khởi động động cơ

Trục khuỷu động cơ quay đến vòng quay khởi động nhờ ắc quy hoặc khí nén Đối với động cơ trung tốc và cao tốc nhiên liệu được phun vào xilanh đồng

thời với quay trục khuỷu khi khởi động (phương pháp khởi động hỗn hợp), nhờ

vậy giảm được thời gian khởi động động cơ

Đối với các động cơ tàu thuỷ thấp tốc, quá trình phun nhiên liệu vào động cơ được thực hiện bởi cơ cấu truyền động, cơ cấu này liên kết hệ thống khởi động với

hệ thống điều khiển cấp nhiên liệu, nhiên liệu được cấp vào xilanh sau khi quay

trục khuỷu bằng không khí nén Không khí nén có nhiệt độ ban đầu 3000

K giãn nở trong xilanh làm giảm đáng kể nhiệt độ động cơ Khi khởi động động cơ đang ở

trạng thái nóng bằng không khí lạnh, do bị làm mát bề mặt đột ngột, lớp vật liệu bề

mặt các chi tiết có nhiệt độ cao như ống lót xilanh, nắp xilanh, đỉnh piston chịu

ứng suất kéo, vì thế làm tăng xác suất khă năng nứt tế vi bề mặt Khi khởi động

động cơ từ trạng thái nguội, trao đổi nhiệt với vách làm tăng thời gian cháy trì hoãn

τi Do vậy thời gian khởi động động cơ bằng không khí nén phải đảm bảo giá trị

nhỏ nhất Theo quy định của Đăng kiểm, thời gian khởi động động cơ phụ bằng

không khí nén không được vượt quá 12 giây Nếu trong thời gian khởi động, lượng

cấp nhiên liệu gần với định mức thì quá trình cháy sẽ diễn ra với tốc độ tăng áp

suất cao, còn áp suất cháy cực đại lớn hơn giá trị định mức, do vậy làm tăng phụ

tải lên ổ trục và tốc độ mài mòn nhóm piston – xilanh (đặc biệt là ống lót xilanh)

Trong quá trình khởi động động cơ thì thông thường, do nhiều lý do khác nhau mà sau một vòng quay động cơ chưa hoạt động được ngay, có thể nhiều vòng

quay khi đó lượng nhiên liệu cấp vào xi lanh lớn hơn nhiều lần ứng với một chu

trình, đặc biệt đối với động cơ có tình trạng kỹ thuật xuống cấp Khi đó sự hòa trộn

hỗn hợp và cháy xấu, thời gian cháy trì hoãn tăng lên, nên khi quá trình cháy xẩy

ra làm tăng áp suất đột ngột, đó là một trong các nguyên nhân gây tăng phụ tải cơ

lên cụm chi tiết nhóm piston – biên, đặc biệt là đối với cặp bạc – cổ biên Vì lý do

đó nên đối với động cơ có công suất vừa và lớn trên mỗi nắp xi lanh bắt buộc phải

lắp van an toàn Áp suất mở vanan toàn khoảng 1,5 lần áp suất cháy cực đại

Không chỉ trong quá trình khởi động, mà cả trong trường hợp động cơ làm việc

quá tải, đặc biệt là đối với động cơ có tình trạng kỹ thuật xuống cấp và gây nên quá

tải cục bộ đối với một vài xi lanh Khi đó mức va đập, độ hao mòn, hư hỏng cục bộ

tăng lên rất nhanh đối với các chi tiết chịu lực chủ yếu của động cơ, trong đó có

cặp bạc – cổ biên là một trong các khâu yếu nhất của động cơ Vì thế, trong quá

trình tính toán, mô phỏng đối với động cơ cụ thể ở chương 2, 3 sẽ nghiên cứu và

làm rõ hơn trường hợp này

b)Đóng tải

Tăng nhanh phụ tải từ 0 đến 100% là đặc tính làm việc của động cơ diesel lai máy phát Tăng mômen cản làm thay đổi các thông số quá trình công tác của

động cơ diesel Khi tăng phụ tải, mômen quay lớn hơn mômen cản nên vòng quay

động cơ tăng lên, do tác dộng của bộ điều tốc thanh răng bơm cao áp dịch chuyển

sang hướng làm tăng nhiên liệu cấp cho chu trình Lượng không khí cấp cho động

cơ phụ thuộc vào vòng quay rôto tuabin – máy nén, tức là phụ thuộc vào nhiệt độ

khí xả Trong thời điểm đầu tiên, tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình, lượng

không khí cấp cho động cơ hầu như không thay đổi do quán tính của rôto tuabin –

máy nén nên vòng quay của nó chưa kịp tăng lên, bởi thế hệ số dư lượng không khí

bắt đầu tăng tốc, suất tiêu hao không khí cho động cơ tăng, nên hệ số dư lượng

không khí cũng được tăng lên Quá trình chuyển tiếp khi đóng tải kéo theo tăng

khói và độc tố trong khí xả.Luật Đăng kiểm quy định, khi cắt tải nhanh 100% và

đóng tải 70% tải, thay đổi nhanh vòng quay không vượt quá 10% so với định mức

c)Tăng tốc tàu

Tăng tốc tàu liên quan tới tăng công suất do động cơ phát ra Tốc độ tương đối của tàu có thể viết theo công thức: T

T TH

V V V

Trong đó: VTH là tốc độ tàu tương ứng với các chế độ làm việc định mức của động cơ và điều kiện chạy tàu tính toán

Tốc độ tương đối của tàu phụ thuộc vào công suất tiêu thụ cho chong chóng vào vòng quay khi tốc độ tàu không thay đổi

Càng giảm tải lên động cơ, thời gian tăng tốc càng ít Đặc tính thay đổi quá trình công tác của động cơ khi tăng tốc tàu cơ bản giống như khi đóng tải

d)Đảo chiều quay trục khuỷu động cơ chính khi chạy tàu

Đảo chiều quay trục khuỷu động cơ nhằm mục đích thay đổi hướng chuyển động của tàu hay tăng tốc độ dừng tàu

Dừng tàu khi chong chóng không làm việc và quay tự do do tác động sức cản tự nhiên của tàu gọi là chạy tự do Thời gian để tàu dừng khoảng một vài chiều

dài thân tàu Để rút ngắn thời gian chạy tự do có thể áp dụng các biện pháp hãm

động cơ sau hãm bánh đà bằng phanh thuỷ lực hay khí nén, phanh khớp nối hệ trục

hay hãm trục chủ động của bộ giảm tốc, nén khí nén vào xilanh động cơ ở đầu quá

trình nén, giảm áp trong xilanh cuối quá trình nén bằng thiết bị giảm áp

Để tạo ra mômen hãm động cơ cần phải tạo ra công nén ở cuối quá trình nén lớn hơn công giãn nở Nếu ngắt nhiên liệu ở cuối quá trình nén, đồng thời xả phần

không khí nén trong xilanh qua thiết bị giảm áp thì trong hành trình giãn nở tiếp

theo, công giãn nở sẽ nhỏ hơn công nén Đây là phương pháp hãm bằng thiết bị

giảm áp

Trên các động cơ công suất trung bình và lớn áp dụng rộng rãi cách hãm động cơ bằng không khí nén Sau khi ngắt nhiên liệu và giảm vòng quay, trục cam

phối khí được chuyển sang vị trí đảo chiều Sau đó các van khởi động chính được

mở, thông qua các van khởi động, khí nén được nạp vào xilanh Tuy nhiên pha

phối khí không phải tương ứng hoàn toàn với chiều quay của trục khuỷu, xupáp

khởi động được mở sau khi đóng xupáp xả, khi piston đi lên ĐCT Áp suất khí

trong xilanh tăng lên do khí nén nạp vào xilanh và thể tích xilanh nhỏ Khi áp suất

khí trong xilanh bằng áp suất trong đường ống khởi động chính thì khí từ xilanh rò

lọt ngược đường ống khởi động chính Trong xilanh áp suất tăng chậm, còn tại

vùng ĐCT áp suất bắt đầu giảm Kết quả là công giãn nở khi piston đi xuống ĐCD

nhỏ hơn công nén, có nghĩa là động cơ đã tạo ra mômen hãm

1.2 Đặc tính của động cơ diesel tàu thuỷ

Trong quá trình khai thác động cơ, người ta dùng các đặc tính để đánh giá các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ làm việc trong các điều kiện khác nhau

Đặc tính của động cơ là hàm số biểu diễn sự thay đổi một trong các chỉ tiêu công

tác chủ yếu của động cơ so với chỉ tiêu công tác khác Trong động cơ diesel tàu

thuỷ thường dùng các đặc tính sau:

- Đặc tính tốc độ: là hàm biểu diễn sự thay đổi các thông số công tác của

động cơ (công suất, mômen, suất tiêu hao nhiên liệu, hiệu suất, hệ số dư lượng

không khí α…) theo vòng quay trục khuỷu Ứng với một thanh răng cấp nhiên liệu

ta thu được một họ đường đặc tính tốc độ Đặc tính tốc độ thu được bằng cách thí

nghiệm động cơ trên bệ thử Đặc tính tốc độ được phân ra đặc tính ngoài, đặc tính

bộ phận, và đặc tính chong chóng Khi thử nghiệm nếu đạt thanh răng ở vị trí cấp

nhiên liệu lớn nhất ta thu được đường đặc tính ngoài, nếu đạt thanh răng ở các vị

trí cấp nhiên liệu trung gian thấp hơn đặc tính ngoài ta thu được đặc tính bộ phận,

đặc tính chong chóng thu được khi trục khuỷu động cơ nối trực tiếp (hoặc thông

qua thiết bị truyền động) với chong chóng tàu thuỷ hay các thiết bị tiêu thụ công

suất tương tự như chong chóng tàu thuỷ

- Đặc tính tải: là hàm số biểu diễn sự thay đổi các thông số công tác của

động cơ theo công suất có ích Ne hay áp suất có ích trung bình pe khi vòng quay

không đổi

- Đặc tính điều chỉnh: là hàm số biểu diễn sự thay đổi các thông số công tác

của động cơ theo một trong các thông số điều chỉnh (góc phun sớm, góc phối khí,

nhiệt độ nước làm mát…) ảnh hưởng đến sự làm việc của động cơ

- Đặc tính điều tốc: là hàm số biểu diến sự thay đổi vòng quay và các thông

số công tác khác của động cơ theo công suất có ích Ne hay áp suất có ích trung

bình pe khi tác động lên thanh răng bơm cao áp

- Đặc tính giới hạn: là hàm số biểu diễn sự thay đổi công suất theo vòng

quay khi các thông số hạn chế nằm ở giới hạn cho phép

- Đặc tính tổng hợp: là sự phụ một hay một vài thông số, không thay đổi vào

hai thông số công tác chủ yếu của động cơ

Sự phụ thuộc các thông số công tác ở chế độ không ổn định vào thời gian khi chuyển động cơ từ chế độ ổn định này sang chế độ ổn định khác gọi là đặc tính

chuyển tiếp Các đặc tính này hình thành khi khởi động, đóng tải, ngắt tải, dừng

động cơ v.v

1.2.1 Đặc tính tải

Các đường đặc tính tải được sử dụng để nghiên cứu các thông số của động

cơ khi thay đổi phụ tải ứng với vòng quay không thay đổi Khi vòng quay

khôngthay đổi, tăng công suất từ chế độ không tải đến chế độ định mức và cao hơn

bằng cách tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình, vì Ne được tính theo phương

Trong đó: - ηi, ηm là hiệu suất chỉ thị và có ích

- Bh là lượng nhiên liệu cấp cho động cơ trong 1 giờ, kg/h

Bh = i.gct.(60.n/z) Tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình cùng với tăng công suất động cơ sẽ

làm tăng áp suất pmax và nhiệt độ khí xả, do đó công suất tuabin khí xả và vòng

quay rôto tuabin máy nén tăng lên Vì thế áp suất, nhiệt độ không khí tăng áp nạp

vào xilanh, áp suất môi chất cuối quá trình nén, áp suất cháy cực đại cũng tăng

Hình 1.1 a, b Sự phụ thuộc các thông số công tác vào công suất khi động cơ làm việc theo đặc

tính tải

g ct -lượng nhiên liệu cấp cho chu trình; g e -suất tiêu hao nhiên liệu có ích; T x -nhiệt độ khí xả;

p max -áp suất cực đại của chu trình; i , m -hiệu suất chỉ thị và có ích;  -hệ số dư lượng không

khí; 1, 2, 3 -ứng với thời điểm động cơ xả khói đen, khi tỷ số g e /N e nhỏ nhất và g e nhỏ nhất

Khi tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình quá lớn thì mặc dù gct tăng lên nhưng công suất động cơ vẫn giảm xuống, do lượng gct cấp quá lớn so với lượng

không khí cấp cho chu trình:

Vì thế khi tăng công suất hệ số dư lượng không khí giảm xuống Đối với động cơ diesel không tăng áp khi tăng công suất, GB không tăng mà giảm xuống

một ít, do vậy hệ số lượng dư không khí giảm nhanh hơn so với động cơ diesel

tăng áp, do khi tăng công suất, đối với động cơ diesel tăng áp thì khối lượng riêng

không khí nạp ρs tăng lên Khi tăng tải, hệ số lượng dư không khí tiếp tục giảm làm

quá trình cháy kéo dài trên đường giãn nở gần thời điểm mở xupáp thải, đồng thời

tăng hiện tượng cháy không hoàn toàn, tăng tổn thất nhiệt cho vách và khí xả, nên

hiệu suất chỉ thị giảm Giảm hệ số dư lượng không khí α thì đối với động cơ cụ thể,

tỷ số ηi/α tăng lên đến một giới hạn nào đó, sau đó bắt đầu giảm nhanh

Khi n = const điều kiện nạp như nhau, tổn thất “bơm” và dẫn động cơ cấu phụ

hầu như không thay đổi khi thay đổi phụ tải Khi giảm tải, tổn thất cơ giới tăng lên

nhưng không đáng kể do nhiệt độ các chi tiết giảm làm cho nhiệt độ dầu bôi trơn

giảm, nên có thể coi công suất tổn thất cơ giới Nm không phụ thuộc vào phụ tải

Vì thế khi tăng công suất Ne, hiệu suất cơ

giới ηm tăng lên từ chế độ không tải đến giá trị

lớn nhất ứng với công suất Ne lớn nhất có thể

phát ra Hiệu suất cơ giới thay đổi theo công

Đường cong suất tiêu hao nhiên liệu có ích trong trường hợp này phụ thuộc vào đặc tính

thay đổi hiệu suất chỉ thị ηi và hiệu suất cơ giới:

3600 ,

.

m e

H i m

g Q

Trên cơ sở phân loại công suất các đường đặc tính ngoài có thể phân ra:

- Đặc tính ngoài giới hạn: biểu diễn các chế độ khai thác giới hạn của động

cơ Đường đặc tính này biểu diễn công suất động cơ phát ra khi vị trí tay ga bơm

cao áp nằm ở vị trí lượng nhiên liệu cấp cực đại ứng với các vòng quay khác nhau

Động cơ làm việc theo đường đặc tính này làm tăng ứng suất nhiệt các chi tiết

nhóm piston – xilanh Các chỉ số động học quá trình công tác cao

- Đặc tính ngoài khai thác lớn nhất: còn gọi là đường đặc tính hạn chế theo

bơm cao áp Lượng nhiên liệu cấp được hạn chế bởi chốt tỳ trên cơ cấu điều khiển

Hình 1.2 Sự phụ thuộc các thông

số công tác vào phụ tải

cấp nhiên liệu Đường đặc tính này cho phép động cơ làm việc với thời gian ngắn

(1 - 2 giờ), có thể quá tải 10% công suất ứng với vòng quay không lớn hơn 3%

vòng quay định mức, tức là Nemax = 1,1.NeH khi nmax= 1,03.nH

- Đặc tính ngoài định mức: thu được khi vị trí thanh răng bơm cao áp không

thay đổi, đường cong này đi qua điểm ứng với chế độ làm việc định mức Các

thông số khai thác của động cơ theo đường đặc tính này được nhà máy chế tạo đảm

bảo, có thể khai thác động cơ không hạn chế thời gian

- Đặc tính khai thác: là đường

đặc tính tốc độ mà hành trình có ích

của bơm cao áp được giữ ở vị trí sao

cho đường cong đặc tính đi qua điểm

ứng với công suất Nekt = 0,85÷0,95NeH

và vòng quay khai thác

- Đặc tính bộ phận: là đường đặc

tính giống như đường đặc tính ngoài

nhưng với lượng nhiên liệu cấp cho chu

định, công suất phụ thuộc vào vòng quay có dạng đường cong parabol Các đường

đặc tính chong chóng phụ thuộc vào tốc độ và sức cản môi trường chuyển động

của tàu, sức cản thay đổi phụ thuộc vào điều kiện chạy tàu Công suất của động cơ

khi làm việc với chong chóng, tính theo công thức, kW:

- ρn là khối lượng riêng của nước, Kg/m3

- Dv là đường kính chong chóng, m

- nv là vòng quay chong chóng, v/ph

- ηdt là hiệu suất đường trục, ηdt ≈ 0,98

Đối với động cơ cụ thể các giá trị ρn, Dv, ηdt là các hằng số thì từ (1.5) có thể

viết thành:

Trong đó: - Ac là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào kết cấu đặc biệt của chong chóng

và điều kiện làm việc của nó

- m là số mũ phụ thuộc vào lượng chiếm nước của vỏ tàu,

m = 2,7÷3,2 Khi động cơ làm việc theo đặc tính chong chóng, áp suất có ích trung bình

và mômen quay thay đổi tỷ lệ thuận với bình phương vòng quay:

Pe = c1.n2; Me = c2.n2(c1, c2 là hệ số tỷ lệ)

Đặc tính chong chóng của động cơ chính khi tàu chuyển động trong vùng nước sâu có tính đến tải nếu như nó đi qua chế độ làm việc định mức gọi là đặc

tính định mức Ứng với vòng quay định mức, công suất tiêu thụ cho chong chóng

nhỏ hơn công suất định mức thì được gọi là đặc tính nhẹ tải, đường đặc tính cao

hơn định mức gọi là đặc tính nặng tải Trong quá trình khai thác tàu, đặc tính

chong chóng thay đổi phụ thuộc vào điều kiện hoạt động, tình trạng vỏ tàu và

suất không tiêu thụ hết vì đường đặc tính hạn chế nằm trên đường đặc tính chong

chóng Phần công suất dự trữ có thể sử dụng để dẫn động máy phát đồng trục Xem

xét đồng thời các phương trình (1.1), (1.7) thấy rõ lượng nhiên liệu cấp cho chu

trình gct ≈ n2/(ηi.ηm), có nghĩa gct có tăng lên cùng với tăng vòng quay

1.3 Sự phối hợp làm việc giữa đặc tính ngoài của động cơ và đặc tính chong

chóng

1.3.1 Khi điều kiện khai thác không thay đổi

Đồ thị hình1.4 biểu sự phối hợp công tác giữa động cơ và chong chóng định bước khi điều kiện công tác không thay đổi Giả sử tàu công tác trong vùng biển

yên sónggió tương ứng với đường đặc tính chong chóng không thay đổi C0 Động

cơ đang làm việc với đường đặc tính ngoài (Mn=const) ứng với lượng cấp nhiên

liệu định mức (dwn=const)

Điểm phối hợp công tác sẽ là giao điểm N của đường đặc tính chong chóng (C0) và đường đặc tính ngoài (MH,hH) Tại đây mômen do động cơ sinh ra cân bằng

với mômen cản trên đế chân vịt, lực đẩy cân bằng với lực cản, và tại N công suất

động cơ là công suất định mức NH và vòng quay định mức nn Tuy nhiên trong

thực tế khai thác không phải lúc nào cũng đạt được công suất tại điểm N Chẳng

hạn: khi động cơ đã cũ, khi một vài xi lanh bị sự cố, tua bin tăng áp bị hỏng hay

khi tàu khai thác trong luồng lạch hẹp, cạn thì ta phải thay đổi tay ga nhiên liệu để

tìm một điểm khai thác hợp lí mà vẫn an toàn cho động cơ

Ngoài ra do phải dự trữ một phần công suất để khắc phục khi phụ tải tăng

Hình1.4 Đồ thị biểu diển sự phối hợp công tác giữa động cơ và chong chóng khi điều kiện khai

thác không thay đổi

C 0 : Đặc tính chong chóng ứng với điều kiện khai thác yên sóng gió;

N n = const: Đặc tính ngoài ứng với tay ga định mức;

N, K, I, H : Các điểm khai thác tương ứng với các vị trí tay ga khác nhau.

dụng công suất phát ra của động cơ nhỏ hơn công suất định mức Do đó điểm phối

hợp công tác giữa động cơ và chân vịt thường là điểm K và ta có:

Nk= (0,80÷0,90)NH

1.3.2.Khi điều kiện khai thác thay đổi

Giả sử sức cản con tàu thay đổi do sóng gió hay tải trọng hàng hoá…

Hình 1.5 Đồ thị biểu diển sự phối hợp công tác giữa động cơ và chong chóng khi điều kiện khai

được sử dụng khi nghiên cứu sự thay đổi các thông số công tác của động cơ trong

quá trình khai thác và trong dự đoán kỹ thuật sự mài mòn các chi tiết, cũng như sự

lắng đọng cáu cặn hệ thống phối khí

- Giá trị các thông số Ne,Me,gephụ thuộc vào một trong các thông số của chu trình công tácn,i,m, ,r,n Các thông số công táccủa chu trình phụ thuộc

vào các yếu tố khác nhau: kết cấu, tình trạng kỹ thuật của động cơ, điều kiện khai

thác và điều kiện môi trường Các đường đặc tính của động cơ là cơ sơ để phân

tính quá trình công tác động cơ diesel tàu thủy khi khai thác

- Trong quá trình khai thác động cơ, chế độ làm việc luôn thay đổi, đồng thời tình trạng kỹ thuật của động cơ giảm xuống theo thời gian khai thác

- Trong các chế độ làm việc của động cơ diesel, đặc biệt đối với động cơ chính tàu thủy thì chế độ khởi động đối với tình trạng kỹ thuật động cơ xuống cấp

và chế độ làm việc quá tải, trong đó chế độ làm việc quá tải cục bộ đối với một vài

xi lanh ảnh hưởng rõ rệt tới chất lượng làm việc của động cơ Khi đó phụ tải tác

dụng lên các chi tiết chủ yếu của động cơ tăng lên rõ rệt, tốc độ tăng áp suất trung

bình, mức độ va đập giữa các chi tiết chuyển động tương đối với nhau tăng đột

biến, trong đó có cặp bạc – cổ biên động cơ

Các nhận xét nêu trên là luận cứ để trình bày sâu hơn hệ lực tác dụng lên cổ biên trong quá trình khai thác động cơ diesel 4 kỳ một hàng thẳng đứng trong

chương 2 và chương 3

Chương 2.CƠ SỞ TÍNH LỰC TÁC DỤNG LÊN CỔ BIÊN TRONG QUÁ

TRÌNH KHAI THÁC ĐỘNG CƠ DIESEL 4 KỲ

Để tính hệ lực tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu nói chung và cổ biên nói riêng trong quá trình khai thác động cơ cần phải xác định tổng hợp lực lực khí thể và lực

quán của các chi tiết tham gia chuyển động tịnh tiến, lực quán tính của khối lượng

tham gia chuyển động quay Muốn vậy cần tính toán chu trình công tác của động

cơ ứng với các chế độ này để xác định lực khí thể đối với từng trường hợp Muốn

xác định tổng hợp lực lực quán của các chi tiết tham gia chuyển động tịnh tiến, lực

quán tính của khối lượng tham gia chuyển động quay cần xác định khối lượng các

chi tiết tham gia chuyển động và gia tốc chuyển động của nhóm piston – biên Vì

thế cần xác định tốc độ dịch chuyển, vận tốc và gia tốc của chúng

2.1 Tổng hợp công thức tính chu trình công tác của động cơ diesel

2.1.1.Thành phần hoá học của nhiên liệu

Nhiên liệu sử dụng là dầu diesel thành phần % lấy theo số liệu kinh nghiệm:

C = 87%, H = 12%, O = 0,6%, S = 0,1%, W = 0,3% (2.1.1)

2.1.2.Nhiệt độ và áp suất môi trường xung quanh

Chọn nhiệt độ môi trường bằng nhiệt độ trong buồng máy:

Với điều kiện thiết kế T0 = 293 oK và P0 = 0,103 MPa

Với điều kiện môi trường làm việc ở chế độ định mức To = 3150K và

  + r: Bán kính quay trục khuỷu, m;

+ lb: Chiều dài biên, m;

2.1.5 Chọn các thông số của trạng thái khí sót

pr, Tr : là áp suất và nhiệt độ khí sót, Pa, K

t = (5 ÷10)0C - độ tăng nhiệt độ không khí nạp do nhận nhiệt từ ống xả và các chi tiết tiếp xúc với khí nạp, chọn t = 100C

Nhiệt độ không khí cuối quá trình nạp; Ta, K:

r

r r s

a

T t T T

D, S - đường kính xilanh và hành trình piston, m

Diện tích bề mặt các chi tiết tiếp xúc với môi chất công tác Fvs, m2:

0,5 1 s 0,5 .sin

vs o

F F  DF S  D co    (2.1.8)

- góc quay trục khuỷu, rad

Thể tích công tác của xi lanh V1, m3:

25 ,

Hệ số dư lượng không khí  không kể đến hàm lượng ẩm(kg):

Hệ số dư lượng không khí  có kể đến hàm lượng ẩm:

Tkf- nhiệt độ môi chất trong xilanh lúc bắt đầu phun nhiên liệu

pkf- áp suất môi chất trong xilanh lúc bắt đầu phun nhiên liệu

Trong quá trình tính chu trình công tác của động cơ diesel có thể lựa chọn một trong các công thức tính hệ số truyền nhiệt từ khí đến vách ống lót xilanh αmc

trình bày dưới đây phụ thuộc vào loại động cơ:

- Công thức của Nuxent áp dụng cho động cơ diezel thấp tốc:

 - hệ số truyền nhiệt từ khí đến vách ống lót xilanh, kW/(m 2 K);

pkc, pk, po- áp suất khí cháy, không khí tăng áp, không khí môi trường, Mpa;

Cm - tốc độ trung bình piston, m/s;D -đường kính xilanh, m;

Tkc, Tvx- 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, 2

m :

- Lượng nhiệt tỏa ra và tốc độ toả nhiệt theo công thức Vibe:

Phần trăm nhiệt lượng toả ra theo góc quay trục khuỷu x:

m = 0,3 ÷ 1 chỉ số đặc trưng cho sự phát triển sự cháy;

z = (30 ÷ 50)0TK: thời gian cháy nhiên liệu tính theo GQTK;

i



   - góc bắt đầu cháy ;

fs - 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 pi, MPa:

- Áp suất có ích trung bình pe, MPa:pe = pi - pm

pm = am + bm.Cm : áp suất tổn hao cơ giới, MPa;

Đối với động cơ có buồng cháy thống nhất: am = 0,088; bm = 0,0118;

Đối với động cơ có buồng cháy trước: am = 0,103; bm = 0,0135;

Đối với động cơ buồng cháy phân cách am = 0,103 ; bm= 0,015

- Hiệu suất cơ giới m: e

m i

p p

n s e

2.2 Độ dịch chuyển, vận tốc và gia tốc chuyển động của nho ́ m piston

2.2.1.Độ dịch chuyển của nho ́m piston

Trong quá trình làm việc của động cơ, piston liên tục dịch chuyển từ điểm

chết trên (ĐCT) đến điểm chết dưới (ĐCD) và ngược lại, độ dịch chuyển của

piston sx thay đổi theo góc quay trục khuỷu  hay theo thời gian , vì thế trong ta

qui ước tính toán độ dịch chuyển của piston sx theo góc quay  và góc quay  =

00TK ứng với piston nằm tại vị trí ĐCT (đối với động cơ bố trí một hàng xi lanh

thẳng đứng)

Hình 2.1 Đồ thị thay đổi độ dịch chuyển piston theo góc quay trục khuỷu

Nhìn vào hình 2.1 ta thấy, khi piston dịch chuyển từ ĐCT đến ĐCD độ dịch chuyển sx được tính:

lb - chiều dài biên, m;

r - bán kính quay của khuỷu trục, m;

 - góc quay của khuỷu trục đang xét ứng với sx tính từ ĐCT;

 - góc lắc của biên so với đường tâm xi lanh

1 1

b b

Như vậy, độ dịch chuyển sx có thể tính chính xác theo (2.2) hoặc tính gần

đúng theo (2.3) Từ (2.3) ta thấy sx là tổng của hai thành phần:

s x1 r1  cos  và s x2  0 , 25rb1  cos 2 

Thành phần sx2 phụ thuộc vào b và giá trị sx đạt cực đại ứng với  = 900 và

 = 2700, khi đó cos2 = -1 và sx2 = rb/2

Các đường cong sx, sx1, sx2 được biểu diễn trên hình 2.1 Độ dịch chuyển piston thay đổi theo góc quay , đạt giá trị cực tiểu ứng với ĐCT (ứng với 00

và

3600TK) và đạt giá trị cực đại ứng với ĐCD (ứng với 1800

TK)

2.2.2 Vận tốc của nho ́m piston

Để xác định vận tốc của piston ta đạo hàm độ dịch chuyển piston sx theo thời gian (đạo hàm công thức 2.3 theo thời gian):

d

d d

ds d

ds

 = d/d - vận tốc góc của trục khuỷu, rad/s

Hình 2.2 Sự thay đổi vận tốc piston theo góc

Tương tự như đã phân tích đối với công thức 2.3, vận tốc piston cũng phân

thành hai số hạng: vp = vp1 + vp2; vp1 = rsin và vp2 = 0,5rbsin2 Số hạng thứ

nhất vp1 là vận tốc piston ứng với chiều dài biên vô hạn, số hạng thứ hai vp2 là

thành phần vận tốc bổ sung ứng với chiều dài biên có hạn Theo kết quả tính toán

và đồ thị biểu diễn trên hình 2.2, 2.3, vận tốc piston theo góc quay trục khuỷu có

dạng hình sin, ứng với các điểm chết ( = 00, 1800, 3600) giá trị vp = 0, giá trị vp

đạt cực trị ứng với góc < 900 và > 2700

2.2.3 Gia tốc của nho ́m piston

Gia tốc của piston được xác định bằng cách đạo hàm vận tốc theo thời gian

Đạo hàm công thức 2.4 ta có:

dv d

tại ĐCD, nếu b> 0,25 sẽ có hai cực tiểu tại vùng ĐCD

2.3.Lực tác dụng lên cổ biên, cổ trục

Các lực tác dụng lên cổ trục và cổ biên gồm lực khí thể, lực quán tính,

trọng lực và lực ma sát Khi tính toán ta thấy trọng lực có giá trị nhỏ hơn nhiều so

với các thành phần lực khác nên ta co thể bỏ qua nó Thành phần lực ma sát phụ

thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như trạng thái bề mặt làm việc, loại dầu bôi trơn

sử dụng, nhiệt độ dầu bôi trơn, chiều dày lớp dầu bôi trơn… nên khó tính chính

xác trị số của nó Vì vậy không đưa lực ma sát vào công thức tính mà ta sẽ đưa nó

vào các hệ số ảnh hưởng và tính hiệu suất cơ giới Nội dung dưới đây trình bày hai

lực chủ yếu tác dụng lên các chi tiết chính của động cơ, một trong các chi tiết đó là

cổ biên Kết cấu động cơ và sơ đồ hệ lực tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu trình bày

trên hình 2.4

2.3.1 Lực khí thể P kt

Lực khí thể do khí cháy sinh ra trong buồng cháy động cơ, là lực vô hướng, tác dụng lên bề mặt phía buồng cháy của nắp xi lanh, một phần ống lót xi lanh và

tác dụng lên đỉnh piston Trong các chi tiết bao buồng cháy chỉ có cụm piston là di

chuyển nên lực vô hướng của khí cháy được biến thành lực có hướng thông qua

nhóm piston Vì thế lực khí thể có điểm đặt quy ước tại tâm chốt piston, có phương

trùng với đường tâm ống lót xi lanh, có chiều tác dụng lên bề mặt đỉnh piston và có

giá trị, kG:

4

.

2

D p

Với D là đường kính xilanh, cm2

pkt : là áp suất dư của khí thể trong xilanh, kG/cm2 Ta có :p kt  p p0

p : là áp suất khí trong xilanh, kG/cm2

Lực quán tính của khối lượng tương đối tham gia chuyển động quay C có giá trị, kG/cm2

Lực tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu là tổng hợp lực khí thể và lực quán tính

Sau khi cộng lại ta có trị số tổng hợp lực:

xác định chiều dài phần dẫn hướng piston

- Thành phần lực thứ hai P b có điểm đặt tại tâm chốt piston , có phương trùng với đường tâm biên , có hướng phụ thuộc góc quay trục khuỷu và có trị số:

tâm cổ trục, có phương song song với lực T và có chiều ngược nhau

Cặp lực T, T1 tạo nên mô men quay Mqtruyền cho trục khuỷu, có trị số:

M q TrP brsin   P t rsin   cos  , (2.3.9)

Mq - mô men quay chỉ thị

Như vậy trong quá trình khai thác động cơ diesel cổ biên chịu tác dụng của lực tiếp tuyến T, lực pháp tuyến Z và lực quán tính của khối lượng tham gia

chuyển động quay Cả hai lực T, Z phụ thuộc vào tổng hợp lực khí thể, lực quán

tính, góc quay trục khuỷu và góc lệch biên Trong quá trình động cơ hoạt động các

thông số này thay đổi theo chế độ làm việc của động cơ nên cả hai lực T, Z thay

đổi theo Vì thế cần phải nghiên cứu qui luật thay đổi lực T, Z theo góc quay trục

khuỷu để xác định tình trạng chịu lực của cổ biên

2.4 Các thông số phục vụ cho tính toán

2.4.1.Một số thông số cho trước

a)Thông số kết cấu của biên:

  thỏa mãn

R - bán kính quay của trục khuỷu (m); L - chiều dài biên (m)

ω - Vận tốc góc trung bình của trục khuỷu: . ( / )

30

n rad s

2.4.2 Khối lượng các chi tiết tham gia chuyển động tịnh tiến và chuyển động

quay tác dụng lên cổ biên (kg)

Mô hình động lực học của khuỷu trục có thể biểu diễn bằng đoạn thẳng, chiều dài của đoạn thẳng này bằng chiều dài bán kính quay của khuỷu trục r, phần

khối lượng của má khuỷu, cổ biên và cổ trục được đặt tại hai mút của đoạn thẳng

Để xác định giá trị của các khối lượng này ta phân khối lượng khuỷu trục thành 3

phần:

- Phần A (Mct): gồm cổ trục và một phần vật liệu liền kề, có khối lượng Mct

đặt tại tâm quay cổ trục;

- Phần B (Mcb): gồm cổ biên và một phần vật liệu liền kề, có khối lượng Mcb

đặt tại tâm cổ biên;

- Phần Cmk (Mmk): phần vật liệu má khuỷu nằm giữa cổ trục và cổ biên, khối lượng Mmk đặt tại tâm má khuỷu, cách tâm cổ trục một đoạn  Trong quá trình

hoạt động Mmk tạo ra lực li tâm Để thuận tiện tính toán Mmk được qui về tâm cổ

biên, gọi là khối lượng qui dẫn má khuỷ Mmqd Theo phương trình cân bằng lực li

tâm đối với cổ trục ta có: Mmk2

Mb - khối lượng toàn bộ biên, kg;

Mdt - khối lượng tập trung vào đầu nhỏ biên, kg;

Mdn - khối lượng tập trung vào đầu to biên, kg;

Để thuận tiện cho tính toán, cần phải đơn giản hoá, tuy nhiên việc đơn giản hoá gây ra sai số không lớn Đối với động cơ đốt trong phần khối lượng tập trung

tại đầu to và đầu nhỏ biên được chọn theo công thức kinh nghiệm sau:

Mdn = (0,2  0,3) Mb; Mdt = (0,7  0,8) MbĐối với động cơ diesel tàu thuỷ thường chọn:

Động cơ thấp tốc : Mdn 0,4 Mb; Mdt 0,6 Mb Động cơ cao tốc : Mdn 0,3 Mb; Mdt 0,7 Mb Khối lượng biên được chia ra tập trung tại hai điểm tính toán của mô hình:

- Khối lượng tham gia chuyển động tịnh tiến tập trung tại tâm chốt piston:

- Phần khối lượng tham gia chuyển động quay tập trung tại tâm cổ biên:

Khi tính toán hệ lực tác dụng có thể chọn theo kết cấu động cơ mẫu hay tính

sơ bộ trọng lượng (kG) nhóm piston và nhóm biên theo công thức gần đúng của

D.B Tanata:

Mp = K1D3; Mb = K2D3 , (2.4.4)

D – đường kính piston, dm,

Hệ số K1, K2 phụ thuộc loại vật liệu chế tạo piston, biên tra bảng 2.1

Bảng 2.1: Hệ số K 1 , K 2 với piston và biên vật liệu khác nhau

Hệ số K1 (kG/dm3) với piston Hệ số K2 (kG/dm3) với biên Hợp kim nhôm K1 = 1,7 Thép rèn tự do K2 = 3,5 Gang K1 = 3,0 Thép rèn khuôn K2 = 3,0 Khi tính lực quán tính có thể tính theo đơn vị khối lượng tương đối (khối lượng ứng với một đơn vị diện tích đỉnh piston Fp ), kg/cm2:

Bảng 2.2: Khối lượng tương đối m tt ,m qk với các loại động cơ khác nhau

Loại động cơ Khối lượng tương đối (kg/cm

0,01 ÷ 0,03 0,001 ÷ 0,002

0,003 ÷ 0,01

Như vậy, với các công thức trình bày trong chương 2 có đủ cơ sở tính lực tác dụng lên các chi tiết chủ yếu của động cơ, trong đó có cặp bạc – cổ biên