Đề tài Thiết kế động cơ Dieszen công suất 5000 CV theo động cơ mẫu 8K42EF(I=8)

§Ò Bµi ThiÕt kÕ ®éng c¬ Diezen c«ng suÊt 5000 Cv theo ®éng c¬ mÉu 8K42EF(i=8) NhËt b¶N Sè liÖu ban ®Çu: M¸c ®éng c¬: 8K42EF N­íc s¶n xuÊt : NhËt B¶n §éng c¬ 2 k× ,t¨ng ¸p b»ng tuabin quÐt th¼ng qua xup¸p C«ng suÊt :Ne = 5000[cv] =3676[Kw] Vßng quay : n = 227 [ v/p ] §­êng kÝnh xilanh : D = 420 [mm] Hµnh tr×nh pist«n : S =900[mm] Mở Đầu 1 . Tính thời sự của đề tài . Sự phát triển của ngành giao thông vận tải đánh giá tốc độ tăng trưởng và phát triển nền kinh tế quốc gia. Vì vậy , giao thông vận tải giữ một vai trò quan trọng . Trong bối cảnh đất nước ta hiện nay , giao thông vận tải càng khẳng định vai trò của nó và đang phát triển không ngừng,hoà chung với sự phát triển đó ngành vận tải thuỷ cũng đã và đang khẳng định mình bằng những đội tàu lớn và hiện đại. Trên đa số các con tàu vượt đại dương cũng như các tuyến trong nước, động cơ DIESEL vẫn đang được sử dụng làm động cơ chính và việc khai thác hệ thống động lực tàu thuỷ đã được áp dụng nhiều thành tựu khoa học kĩ thuật.Ngày nay công nghiệp đóng tàu phát triển một cách nhảy vọt.Tuy nhiên phần lớn các động cơ DIESEL đều nhập từ nước ngoài , để đặt nền móng cho nền công nghiệp chế tạo động cơ Diesel thì việc thiết kế một động cơ để đạt được các chỉ tiêu về kinh tế ,kĩ thuật là vô cùng quan trọng . Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam là một trường chuyên nghiệp đào tạo một bộ phận kĩ sư đóng tàu và có nhiệm vụ trang trí ,sửa chữa hệ thống động lực tàu thuỷ.sau mỗi khoá học ,mỗi sinh viên được nhận một đề tài tốt nghiệp nhằm nghiên cứu tổng hợp lại những kiến thức đã được học ở trường ,làm nâng cao chất lượng đội ngũ cán bộ kĩ thuật phục vụ tốt cho ngành. 2. Mục đích của đề tài . Thiết kế động cơ Diesel,công suất 5000 CV/3676 kW 3 . Phương pháp nghiên cứu của đề tài. - Về lý thuyết sử dụng các tài liệu liên quan đến thiết kế động cơ Diesel của thầy Lê Viết Lượng - Ứng dụng phần mềm máy tính : Chu trình công tác của động cơ Diesel Giáo viên hướng dẫn : Th.S Đặng Khánh Ngọc Sinh viên thực hiện : Đỗ Hùng Cường Để tính toán các thông số kỹ thuật của động cơ, động học và động lực học của các hệ thống nhằm phục vụ cho việc tính toán thiết kế độnh cơ Diesel. 4 . Phạm vi nghiên cứu của đề tài . Đề tài chỉ giới hạn trong việc thiết kế động cơ Diesel nhằm đáp ứng được công suất 3676 kW để thoả mãn nhu cầu thiết kế . 5 . Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn,nghiên cứu và làm rõ được phương pháp thiết kế động cơ Diesel nói chung và động cơ Diesel tàu thuỷ nói riêng đáp ứng được công suất thiết kế và điều kiện làm việc của động cơ.Từ đó có thể áp dụng vào sản xuất và cải tiến nâng cao được chi tiêu kinh tế ,kỹ thuật cho động cơ và làm giảm thiểu hư hỏng các chi tiết . Đề tài có thể làm tài liệu tham khảo cho các sinh viên ngành cơ khí đóng tàu và các ngành cơ khí khác Phần I - Tính Thông Số Ban Đầu Cho Động Cơ DIESEL ----00---- 1.1 Cơ sở lí thuyết mô phỏng chu trình công tác của động cơDiesel theo phương pháp cân bằng năng lượng . Chu trình công tác của động cơ Diesel hoàn thành sau hai vòng quay của trục khuỷu đối với động cơ 4 kỳ và một vòng quay của trục khuỷu đối với động cơ 2 kỳ Tuy nhiên trong một chu trình công tác của cả hai loại động cơ đều phải thực hiện các quá trình là nạp ,nén , nổ, xả. Để chọn phương án thiết kế , để khi chế tạo ,cũng như trong quá trình khai thác đều phải tính chu trình công tác của nó. Để xác định mối quan hệ giữa các thông số của chu trình công tác của động cơ thì phải tính chu trình công tác .Việc tính chu trình công tác có thể tính theo phương pháp cổ điển hoặc phương pháp mới. Để lựa chọn phương pháp tính cần phải đánh giá các phương pháp đó. 1.2 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 nghiên cứu ,tính toán các quá trình công tác :nạp,nén,cháy,giãn nở trên cơ sở nhiệm vụ thư thiết kế và động cơ mẫu lựa chọn .Sau khi tính các quá trình sẽ xác định được thông số của môi chất tại các điểm đặc trưng .Trong quá trình tình chu trình 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 , đê 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 trong quá trình nén và giãn nở n1 ,n2 ; quá trình cấp nhiệt đẳng tích và đẳng áp thay cho quá trình cháy nhiên liệu được đặc trưng bởi tỷ số tăng áp trong quá trình cháy λ ,chỉ số giãn nở sớm (.Ngoài ra để tính các thông số khác của chu trình còn phải chọn nhiều hệ số khác như :hệ số lợi dụng nhiệt ,hệ số biến đổi phân tử vv… Như vậy để xây dựng đồ thị công trên hệ tọa độ P_V và P_( phải xác định được các thông số môi chất tại các điểm đặc trưng ,sau đó dựa vào các phương trình đa biến và phương trình trạng thái lý tưởng , đồng thời kết hợp với vòng tròn brich. Trên cơ sở các đồ thị đã xây dựng tính được các thông số chỉ thị và có ích của động cơ ,Ví dụ: muốn tính áp suất chỉ thị trung bình của chu trình sử dụng công thức sau đây :
Từ công thức trên ta thấy rõ , để xác định Pi’ cần phải chọn hoặc tính gần đúng các thông số : (,(,λ,(,δ,n1,n2 , trong khi đó tất cả các tài liệu đều không hướng dẫn rõ đối với các loại động cơ cụ thể nên chọn các hệ số trong giới hạn nào ,hoặc cho giới hạn quá rộng ,nên việc chọn hệ số không đảm bảo chính xác , đặc biệt là những người hiểu không sâu môn học này . Từ cách tính chu trình công tác của động cơ Diesel theo phương pháp cổ điển có thể rút ra nhận xét sau đây : - Không xét được ảnh hưởng của góc phối khí ,thực ra trong quá trình công tác của động cơ góc phối khí không trùng với các diểm chết . - Sử dụng quá nhiều hệ số lựa chọn nên không đảm bảo độ chính xác . - Không xét ảnh hưởng của góc phun sớm ,quy luật cấp nhiên liệu ,lượng nhiệt trao đổi và nuớc làm mát. - Không xét được các thông số động học quá trình cháy và các 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 nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện khai thác tới chất lượng làm việc của động cơ . 1.3 Phương pháp cân bằng năng lượng . Phương pháp tính nhiệt động cơ đốt trong do B.I.Grinhevecki soạn thảo năm 1906 và được E.K.Mazing hoàn thiện tiếp. Phương pháp kinh điển nổi tiếng của Grinhevicki và Mazing được sử dụng rộng rãi trong quá trình nghiên cứu các chu trình thực tế của động cơ đốt trong và đến nay vẫn được sử dụng trong thực tế kỹ thuật và quá trình học tập. Tuy nhiên, để nghiên cứu sâu quá trình công tác của động cơ và để dự đoán thì phương pháp này chưa đủ hoàn thiện do các giả thiết đề ra khi thiết kế như đã nhận xét ở mục 2.1. Động cơ tàu thuỷ hiện đại chủ yếu là động cơ tăng áp bằng tua bin khí xả.các quá trình công tác trong xilanh của động cơ và trong tuabin máy nén có mối liên hệ và phụ thuộc lẫn nhau, điều đó phương pháp Grinhevicki và Mazing không tính đến.Phương pháp không thể xác định đặc tính thay đổi các thông số chủ yếu của quá trình công tác của động cơ theo góc quay trục khuỷu,phụ thuộc vào động lực học toả nhiệt,trao đổi nhiệt với thành xilanh và các thông số điều chỉnh .Vì vậy,phải soạn thảo mô hình toán học mà quá trình công tác cho phép tính đến các yếu tố này và cho phép đánh giá ảnh hưởng của chúng đến đặc tính diễn biến của quá trình công tác,tính kinh tế và tính tin cậy công tác của động cơ.Mô hình toán học các quá trình công tác của động cơ là hệ các phương trình vi phân khép kín.Khi các điều kiện ban đầu và điều kiện biên đã cho, đối với thời điểm bất kì của chu trình hệ phương trình này cũng mô tả mối quan hệ giữa đặc tính thay đổi các thông số quá trình công tác với sự thay đổi năng lượng, khối lượng và các thông số kết cấu của động cơ. Hiện nay hai phương pháp tính quá trình công tác của động cơ đốt trong được sử dụng rộng rãi:Phương pháp cân bằng thể tích do H.M.Glagolev thiết lập và phươg pháp cân bằng năng lượng do B.M.Gôntrar thiết lập. Trong đề tài 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 kì đều ở trạng thái cân bằng,nghĩa là một hệ thống nhiệt cân bằng.Nếu bỏ sự rò lọt môi chất qua xecmăng trong quá trình nén và giãn nở thỉ hệ thống nhiệt động là hệ kín. Như vậy,với phương pháp này thì môi chất trong thể tích làm việc của xilanh trong các quá trình của chu trình luôn luôn tuân theo định luật nhiệt động thứ nhất :nhiệt lượng cấp cho chu trình dung để thay đổi năng lượng và sinh công.Dưới đây ta xét phương trình cân bằng năng lượng của môi chất trong thể tích làm việc của xilanh trong quá trình nén ,cháy và giãn nở. Phương trình cân bằng năng lượng của môi chất được biểu diễn qua công thức:
(2.1)
: Lượng nhiệt cấp cho môi chất theo góc quay của trục khuỷu (kj/0TK)
: Độ thay đổi nội năng của môi chất theo góc của trục khuỷu (kj/0TK)
: Độ thay đổi công theo góc quay của trục khuỷu (kj/0TK)
: Góc quay của trục khuỷu thay đổi từ 0 đến (ct (kết thúc chu trình ) được tính từ điểm chết trên lúc bắt đầu quá trình nạp (để đơn giản hoá nhưng không ảnh hưởng nhiều đến kết quả tính toán trong đề tài chỉ xét đến quá trình từ 1800 đến 5400),rad. Từ sự phụ thuộc nhiệt động học đã biết có thể tính đến biến thiên nội năng của môi chất theo công thức sau :
(2.2) Độ thay đổi công tính theo công thức :
(2.3) m : là khối lượng của môi chất công tác ,kg Cv : nhiệt dung riêng đẳng tích ,kj/kg.K u : nội năng đơn vị của môi chất công tác ,kj/kg p : áp suất môi chất trong xilanh ,kpa V : thể tích môi chất công tác (thể tích công tác của xilanh ứng với vị trí piston, tính theo công thức mục 2.3),m3  Nội năng đơn vị của môi chất công tác :
(2.4) a) Sự thay đổi các thông số môi chất trong quá trình nén. Trong quá trình nén không có quá trình trao đổi khí nên trong phương trình (2.2)
môi chất công tác gồm không khí sạch và khí sót , nên (2.2) có dạng :
(2.5) Cv = a + b.T :nhiệt dung riêng của không khí ,a = 19,88;b = 0,00275. Cvr = a + b.T : nhiệt dung riêng của sản vật cháy “sạch”a = 21,81;b = 0,003853. Phần lớn thời gian của quá trình nén và các chi tiết tiếp xúc với môi chất công tác truyền nhiệt cho môi chất,nhiệt lượng này có thể tính theo công thức :
(2.6)
: hệ số truyền nhiệt từ vách tới môi chất theo góc quay của trục khuỷu và bề mặt trao đổi nhiệt được tính như
,KW/m2K Tvx : nhiệt độ trung bình vách sau một chu trình , ở chế độ định mức Tvx = 400…4800K Fvx : diện tích bề mặt trao đổi nhiệt ,tính theo (2.10),m2 
: thời gian trao đổi nhiệt ,s. Với
nên:
(2.7) b) Sự thayđổi các thông số môi chất trong quá trình cháy . Quá trình cháy bắt đầu khi góc quay trục khuỷu ( bằng góc bắt đầu cháy nhiên liệu (,góc được xác định :
(2.8)
: Góc phun sớm nhiên liệu ,lấy theo lí lịch động cơ ,0TK;
: Góc cháy trì hoãn ,tính theo (2.23),0TK Sản vật cháy tạo thành làm tăng khối lượng môi chất công tác theo công thức :
(2.9) gct : lượng nhiên liệu phun vào xilanh trong một chu trình ,(kg/ch.t)
: Tốc độ cháy tương đối được tính theo công thức thực nghiệm I.I Vibe(2.47) Trong quá trình cháy khối lượng không khi giảm xuống : Gbt = Gb-G0.gct.x (2.10) Và lượng sản vật cháy tăng lên : mkcx mr +gct.x + Go.gct.x (2.11) x =
: % nhiên liệu cháy ứng với thời điểm xét .
(2.12) Lượng nhiên liệu cấp cho môi chất công tác bằng tổng lượng nhiệt nhận được từ vách và nhiệt lượng do cháy lượng nhiên liệu cấp cho chu trình .
(2.13) Lượng nhiệt toả ra do cháy phần nhiên liệu cấp ,kW/kg.
( 2.14)
tính theo công thức (2.7). c) Sự thay đổi thông số các môi chất trong quá trình giãn nở . Trong quá trình giãn nở kết thúc quá trình cấp nhiên liệu vào trong xilanh nên số hạng thứ 2 vế phải ( 2.12) bằng không .còn khối lượng sản vật cháy không đổi cho đến khi mở cửa thải . Trong quá trình này phần nhiệt truyền từ môi chất cho vách theo công thức (2.7). Dựa vào phương trình nói 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. Như vậy ,trên cơ sở phương trình định luật nhiệt động thứ nhất sẽ xác định được áp suất và nhiệt độ của môi chất công tác tại thời điểm bất kì của chu trình, đó là cơ sở tính các thông số công tác của chu trình . Tuy nhiên vận dụng phương pháp này vào việc xây dựng các mô hình và lập chương trình tính toán không phải đơn giản. Vói phương pháp này còn lại một số tồn tại : chưa tínhđến ảnh hưởng của chất lượng phun sương và hoà trộn hỗn hợp công tác; trạng thái kỹ thuật của động cơ nói chung và sự hao mòn các chi tiết chuyển động tương đối với nhau ; loại dầu bôi trơn; mối quan hệ giữa chất lượng chu trình công tác với hệ thống tự động điều chỉnh cấp nhiên liệu ;mối quan hệ phụ tải và mô men quay . 1.4 Lựa chọn công thức bổ sung tính chu trình công tác của động cơ Diesel theo phương pháp cân bằng năng lượng : Để xây dựng thuật toán và lập chương trình tính toán trên cơ sơ phương trình (2.1) thì ngoài công thức chủ yếu trong mục 2.2 cần lựa chọn bổ sung các công thức trong các tài liệu về tính chu trình công tác của động cơ . Sau đây là công thức bổ trợ: Tốc độ trung bình của piston :cm , m/s; Cm =
(2.15) s : là hành trình của piston, m ; n : là vòng quay của động cơ ,v/p. - Tốc độ lớn nhất của piston khi nạp qua xupap nạp ,m/s.
(2.16) k : tỉ số diện tích đỉnh piston và diện tích lỗ xupap(chọn theo kết cấu của động cơ) - Nhiệt trị thấp của nhiên liệu QH,kj/kg: QH = 100.(339.C + 1256H – 109(O-S)(- rw .(9H + W) (2.17) rw2512kj/kg: nhiệt ẩn hoá hơi của nước trong nhiên liệu ứng với áp suất 101.2 kpa. C,H,O,S, W : hàm lượng cácbon ,hidro, oxi ,lưu huỳnh ,nước có trong thành phần nhiên liệu ,%. Với dầu điezel : C = 0,87: H = 0,126, O = 0,004. - Nhiệt độ không khí sau máy nén tăng áp ,0K
(2.18)
: tỷ số tăng áp lấy theo lý lịch của động cơ hoặc động cơ mẫu nk = 1,5 …2 chỉ số nén đa biến trong máy nén. - Nhiệt độ không khí trước xupap nạp :0K
(2.19)
: độ giảm nhiệt độ trong bầu làm mát không khí tăng áp , độ . - Áp suất không khí trước xupáp nạp ,Mpa.
(2.20)
: độ giảm áp suất trong bầu làm mát không khí tăng áp ,Mpa. Pk : Áp suất tăng áp lấy theo lý lịch động cơ hoặc động cơ mẫu ,Mpa. - Áp suât không khí cuối quá trình nạp,Mpa.
(2.21) w : hệ số tốc độ - Hệ số khí sót :
(2.22)
: tỷ số nén lý thuyết (lấy theo lý lịch động cơ hoặc động cơ mẫu Pr , Tr : áp suất và nhiệt độ khí sót ,kpa,0K.
= 5…10oC : độ tăng nhiệt độ không khí do tiếp xúc với vách , độ - Nhiệt độ không khí cuối quá trình nạp Ta,0K.
(2.23) - Diện tích bề mặt xung quanh thể tích xilanh công tác khi piston ở điểm chết dưới Fo,m2.
(2.24) D,S đường kính xilanh và hành trình piston ,m. - Diện tích bề mặt các chi tiết tiếp xúc với môi chất công tác Fvx ,m2.
(2.25) ( : góc quay trục khuỷu , rad. - Thể tích công tác của xilanh Vs ,m3
(2.26) - Thể tích buồng cháy Vc ,m3 
(2.27) - Thể tích công tác của xilanh khi piston ở điểm chết dưới Va ,m3  Va = Vc + Vs (2.28) - Thể tích công tác của xilanh tính theo góc quay trục khuỷu ,m3 
(2.29) - Khối lượng riêng không khí sau máy nén :

(2.30) R = 278(kj/kmol.K) - hằng số của không khí . - Lượng không khí khô cần thiết để đốt cháy một kg nhiên liệu Lo,kmol/kg
(2.31) - Hệ số nạp không khí kể đến hàm lượng ẩm :
(2.32) - Hệ số nạp kể đến hàm lượng ẩm
(2.33)
: hàm lượng ẩm là tỷ số giữa lượng không khí khô và hơi nước nạp vào trong xilanh trong một chu trình . - Lượng không khí thực tế nạp vào trong xilanh trong một chu trình không kể đến hàm lượng ẩm của không khí ,kg.
(2.34) - Hệ số dư lượng không khí ( không kể đến hàm lượng ẩm :
(2.35) gct : lượng cấp nhiên liệu cho động cơ trong một chu trình ,kg. Go : lượng không khí lý thuyết để đốt cháy một kg nhiên liệu ,kg/kg:

= 28,9 kg/kmol - khối lượng của kmol không khí . - Hệ số dư lượng không khí ( có kể đến hàm lượng ẩm .
(2.36) - Thời gian cháy trì hoãn (i tính theo công thức V.X.Xemenov:
(2.37) Tkf : nhiệt độ môi chất trong xilanh lúc bắt đầu phun nhiên liệu ,0K. Pkf : áp suất môi chất trong xilanh lúc bắt đầu phun nhiên liệu ,kpa. - Hệ số truyền nhiệt từ vách đến ống lót xilanh (cm (cm có thể áp dụng theo các công thức khác nhau phụ thuộc vào loại động cơ.Tất cả các công thức tính hệ số truyền nhiệt từ khí đến vách ống lót xilanh đều là công thức thực nghiệm ứng với điều kiện cụ thể ,vị vậy không thể sử dụng công thức chung áp dụng cho các loại động cơ . Dưới đây là một công thức thực nghiệm tính hệ số truyền nhiệt từ khí đến v v vách ống lót xilanh : + công thức Nuxent áp dụng cho động cơ Diesel thấp tốc :
(3.38) + công thức của Iaklittr sử dụng cho các động cơ cao tốc :
(3.39)