4 Mở đầu 1. Lý do lựa chọn đề tài Trong việc nghiên cứu, tính toán thiết kế động cơ Diesel thì thiết kế hệ thống phục vụ của nó là rất quan trọng. Các hệ thống có một vai trò to lớn trong quá trình hoạt động của động cơ. Góp phần nâng cao công suất, hiệu suất và tuổi thọ của động cơ. Trong quá trình khai thác động cơ Diesel tàu thuỷ, việc quan tâm và nghiên cứu các hệ thống phục vụ sẽ giúp cho động cơ đảm bảo luôn hoạt động ở tình trạng kĩ thuật tốt nhất. Đồng thời cũng tránh đ ợc quá trình hỏng hóc do quá trình sử dụng sai các hệ thống phục vụ. Ngày nay các động cơ Diesel tàu thuỷ ngày càng hiện đại hoá. Điều đó đòi hỏi các hệ thống phục vụ nó cũng phải hoàn thiện dần. Tiến tới nâng cao công suất động cơ và nâng cao tính kinh tế của hệ thống. 2. Mục đích đề tài Tính toán thiết kế ba hệ thống phục vụ động cơ Diesel tàu thuỷ là: Hệ thống nhiên liệu, hệ thống bôi trơn và hệ thống làm mát. Trong đó cần tính toán các thiết bị của ba hệ thống nh cụm bơm, các bầu lọc, các bầu sinh hàn, các két phục vụ động cơ. 3. Nội dung đề tài. Gồm hai ch ơng: Ch ơng 1 : Tính nhiệt của chu trình công tác động cơ Diesel Ch ơng 2 : Tính toán thiết kế một số hệ thống phục vụ động cơ. Phần 1: Thiết kế hệ thống nhiên liệu Phần 2: Thiết kế hệ thống bôi trơn Phần 3: Thiết kế hệ thống làm mát Phần 4: Tìm hiểu một số loại bơm cao áp 4. Ph ơng pháp nghiên cứu của đề tài 5 Mô tả nguyên lí hoạt động của toàn bộ hệ thống từ đó tính toán cụ thể một số thiết bị trong hệ thống cụ thể. 5. Phạm vi của đề tài Đề tài chỉ có giới hạn trong phạm vi tính toán thiết kế hệ thống phục vụ của loại động cơ Diesel tàu thuỷ cỡ lớn. 6.ý nghĩa khoa học và thực tiễn +ý nghĩa khoa học: Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống phục vụ động cơ Dieseltàu thuỷ. Cách tính toán thiết kế chúng, từ đó tối u hoá các hệ thống phục vụ. + ý nghĩa thực tiễn: Tính toán và đ a vào sản xuất hệ thống nhiên liệu cho các loại động cơ Diesel tàu thuỷ cỡ lớn 1 MụC LụC Trang Mở đầu 1 Lý do lựa chọn đề tài 4 2 Mục đích đề tài 4 3 Nội dung đề tài 4 4 Ph ơng pháp nghiên cứu của đề tài 4 5 Phạm vi của đề tài 5 6 ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5 Ch ơ ng 1: Tính nhiệt của chu trình công tác động cơ điêsel 6 1.1 Lựa chọn công thức và ch ơ ng trình tính 6 1.2 Kết quả 15 Ch ơng 2: Thiết kế một số hệ thống phục vụ động cơ 16 2.1 Thiết kế hệ thống nhiên liệu 16 2.1.1 Yêu cầu đối với hệ thống nhiên liệu. 17 2.1.2 Lựa chọn ph ng án thiết kế 17 2.1.3 Nguyên l ý làm việc của hệ thống nhiên liệu 19 2.1.4 Thiết kế hệ thống nhiên liệu 19 2.2 Thiết kế hệ thống bôi trơn 39 2.2.1 Nhiệm vụ yêu cầu đối với hệ thống bôi trơn 39 2.2.2 Lựa chọn ph ơ ng án thiết kế 39 2.2.3 Tính toán thiết kế hệ thống bôi trơn 42 2.3 Thiết kế hệ thống làm mát 50 2.3.1 Nhiệm vụ của hệ thống làm mát 50 2.3.2 Yêu cầu đối với hệ thống làm mát 50 2.3.3 Lựa chọn ph ơ ng án thiết kế 50 2.3.4 Nguyên lý làm việc của hệ thống làm mát 54 2 2.3.5 Thiết kế hệ thống làm mát 54 2.4 Tìm hiểu mộ t số loại bơm cao áp 60 Ch ơng trình tính nhiệt động cơ 62 Kết luận và khuyến nghị 75 Tài liệu tham khảo 76 Các bản vẽ dùng để báo cáo 6 bản 3 Danh mục các bản vẽ và đồ thị STT Tên hình vẽ Trang 1 Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu gián tiếp 17 2 Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp 18 3 Kết cấu bơm bô sơ 21 4 Sơ đồ điều chỉnh l ợng nhiên liệu cấp 23 5 Kết cấu vòi phun 26 6 Kết cấu kim phu n 31 7 Sơ đồ nguyên lý làm việc của bơm piston 32 8 Kết cấu bầu lọc thô 35 9 Kết cấu bầu lọc tinh 36 10 Sơ đồ hệ thống bôi trơn vung té 39 11 Sơ đồ hệ thống bôi trơn các te ớt 40 12 Sơ đồ hệ thống bôi trơn các te khô 42 13 Sơ đồ hệ thống hệ thống l àm mát hở 51 14 Sơ đồ hệ thống làm mát kín 52 6 Ch ơng 1: Tính nhiệt của chu trình công tác động cơ Diesel 1.1. Lựa chọn công thức và ch ơng 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 ph ơng pháp cổ điển hoặc ph ơng pháp mới. Để lựa chọn ph ơng pháp tính cần phải đánh giá các ph ơng pháp đó. 1.1.1. Đánh giá ph ơng pháp cổ điển tính chu trình công tác của động cơ Điêsel. 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 đ ợc các thông số môi chất tại các điểm đặc tr ng. Trong qúa trình tính sẽ lựa chọn đ ợc các hệ số, các chỉ số đặc tr ng 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 ph ơng 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 n1 và n2 quá trình cấp nhiệt đẳng tích và đẳng áp thay cho quá trình cháy nhiên liệu đ ợc đặc tr ng bởi tỉ số tăng áp suất trong quá trình cháy , chỉ số giãn nở sớm . Ngoài ra để tính các thông số của chu trình còn phải chọn nhiều hệ số khác nh : Hệ số lợi dụng nhiệt, hệ số biến đổi phân tử. Từ cách tính chu trình công tác theo ph ơng pháp cổ điển có thể rút ra một số nhận xét sau đây: - Không xét đ ợc ảnh h ởng của góc phối khí - Sử dụng quá trình hệ số lựa chọn nên không đảm bảo độ chính xác 7 - Không xét đ ợc ảnh h ởng của góc phun sớm, quy luật cấp nhiên liệu, l ợng nhiệt trao đổi với n ớc làm mát - Không xét đ ợc 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 ph ơng pháp này rất khó nghiên cứu các thông số công tác khi động cơ làm việc theo các đ ờng đặc tính điều chỉnh, đặc tính bộ phận, đặc tính chong chóng và ảnh h ởng của điều kiện khai thác tới chất l ợng làm việc của động cơ. 1.1.2. Ph ơng pháp cân bằng năng l ợng Động cơ tầu thuỷ hiện đại chủ yếu là động cơ tăng áp bằng tua bin khí xả. Các quá trình công tác trong xi lanh động cơ và trong tua bin máy nén có mối liên hệ phụ thuộc lẫn nhau, điều đó ph ơng 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 h ởng 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 ph ơng pháp cân bằng năng l ợng để nghiên cứu. Để áp dụng ph ơng pháp này phải giả thiết môi chất trong thể tích công tác của xi lanh tại thời điểm bất kỳ đều ở trạng thái cân bằng, nghĩa là môi chất trong xi lanh là một hệ thống nhiệt động cân bằng. Nếu bỏ qua sự rò lọt môi chất qua xéc măng trong quá trình nén và giãn nở thì hệ thống nhiệt động là hệ kín. Nh vậy, với ph ơng pháp này thì môi chất trong thể tích làm việc của xi lanh trong quá trình luôn tuân theo định luật thứ nhất. Ph ơng trình cân bằng năng l ợng của môi chất đ ợc biểu diễn thông qua công thức: d dL d dU d dQ += 8 d dQ - L ợng nhiệt cấp cho môi chất theo góc quay của trục khuỷu (KT 0 /TK) d dU - Độ thay đổi nội năng của môi chất theo góc quay của trục khuỷu (KT 0 /TK) d dL - Độ thay đổi công theo góc quay của trục khuỷu (KT 0 /TK) - Góc quay của trục khuỷu thay đổi từ 0 đến ct , tính từ ĐCT lúc bắt đầu quá trình nạp. Biến thiên nội năng của môi chất tính theo công thức: d dm u d dT Cvm d dQ += Độ thay đổi công tính theo công thức: d dV p d dl .= m - Khối l ợng 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 xi lanh V - Thể tích môi chất công tác (m 3 ) Nội năng đơn vị chất công tác: U = 0 .dTCv a. Sự thay đổi các thông số môi chất trong quá trình nén Môi chất công tác gồm khí sạch và khí sót nên ph ơng trình nhiệt động có dạng: d dT CvrmCvm d dU rkk ) ( += C V = a + b.T - Nhiệt dung riêng của không khí a = 19,88 ; b = 0,00275 C Vr = c + d.T - Nhiệt dung riêng của sản vật cháy c = 21,81; d = 0,003853 Nhiệt l ợng các chi tiết truyền cho môi chất tính theo công thức: 9 d d FvxTkcTvx d dU d dU vk .) ( == vk - 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 1 chu trình, ở chế độ định mức T VX = 400 ữ 480 K F VX - Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt m 2 : Thời gian trao đổi nhiệt (s) nd d .6 1 = nên n Fvx FvxTkcTvx d dU d dU vk .6 .) ( == b. Sự thay đổi các thông số trong quá trình cháy. Góc bắt đầu cháy nhiên liệu tính theo công thức ifs += fs Góc phun sớm nhiên liệu lấy theo lý lịch động cơ i Góc cháy trì hoãn 0 TK Khối l ợng môi chất kể cả sản vật cháy tính theo công thức d dx g d dm ct .= G ct l ợng nhiên liệu phun vào xi lanh trong 1 chu trình (kg) Tốc độ cháy t ơng đối tính theo thực nghiệm Khối l ợng không khí giảm xuống trong quá trình cháy: G bx = G b G 0 . g ct .x Sản vật cháy tăng lên m kcx = m r + g ct .x G 0 . g ct .x X = d d dx . 0 Phần trăm nhiên liệu đã cháy ứng với thời điểm xét Nhiệt l ợng cấp cho môi chất công tác d dQ d dQ d dQ X W += Ư 10 L ợng nhiệt toả ra do cháy phần nhiên liệu cấp kW/kg d dx gQ d dQ ctH X = c. 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 xi lanh, còn khối l ợng sản vật cháy giữ không đổi cho đến khi mở cửa thải. Dựa theo các ph ơng trình nêu trên sẽ xác định đ ợc áp suất môi chất công tác và từ đó tính đ ợc nhiệt độ theo ph ơng 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 C m (m/s) 30 .nS C m = - Tốc độ lớn nhất của piston khi nạp qua xu páp nạp (m/s) C W = 1,57.C m .k k - Tỉ số giữa diện tích đỉnh piston và diện tích lỗ xu páp - Nhiệt trị thấp của nhiên liệu. Q H = 100.[339.C + 1256.H 109.(O-S) r W .(9H+W) r W = 2512 kJ/kg - Nhiệt ẩm hoá hơi của n ớc trong nhiên liệu ứng với áp suất 101,2 kPa - Nhiệt độ của không khí sau máy nén tăng áp ( 0 K ) k k n n Kk TT 1 0 . = k - Tỉ số tăng áp N k = 1,5 - 2 Chỉ số nén đa biến trong máy nén T S = T K - .T lm .T lm - Độ giảm nhiệt độ trong bầu làm mát P S = P K . K - .P lm .P lm - Độ giảm áp suất áp trong bầu làm mát - áp suất không khí cuối quá trình nạp [...]... phun phải khô 2.1.2 Lựa chọn phương án thiết kế Hệ thống nhiên liệu của động cơ đIêzel có kết cấu rất phức tạp và nhiều chi tiết có độ chính xác cao, cách bố trí kết cấu hệ thống đối với từng động cơ là khác nhau Do đó việc lựa chọn phương án thiết kế dựa trên cơ sở phân loại các hình thức của hệ thống nhiên liệu như sau: 2.1.2.1 Hệ thống phun nhiên liệu gián tiếp 1 Sơ đồ 1- Két trực nhật, 2- Bầu lọc nhiên... hao cơ giới - Hiệu suất cơ giới m = Pc Pi - Công suất có ích N e = N i m - Suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge = gi m - Hiệu suất có ích e = i m - Suất tiêu hao nhiên liệu trong 1h: B h = g e Ne 14 Chương 2: Thiết kế một số hệ thống phục vụ động cơ 2.1 Thiết kế hệ thống nhiên liệu 2.1.1 Yêu cầu đối với hệ thống nhiên liệu Quá trình cấp nhiên liệu tốt hay xấu đều ảnh hưởng đáng kể đến công suất và... hệ số nạp của bơm không ổn định, thậm chí còn làm gián đoạn quá trình cấp nhiên liệu Vì vậy trong hệ thống tại nhưng nơi có khả năng tích tụ không khí phải bố trí các van xả khí để xả hết không khí lẫn trong hệ thống - Khi động cơ ngừng hoạt động lâu ngày, nhiên liệu trong hệ thống bị rò qua những chỗ không kín khít, vì vậy trước khi khởi động động cơ phải sử dụng 1 bơm tay hoặc bơm điện 9 lắp song... vào hệ thống Sau đó phải khoá van 8 để cắt bơm 9 ra khỏi hệ thống rồi mới khởi động động cơ - ưu điểm: Kết cấu gọn nhẹ độ tin cậy cao, việc bảo quản chăm sóc vận hành dễ dàng và độ tin cậy cao Ngày nay, hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp được sử dụng rất phổ biến bởi những ưu điểm vượt trội của nó Do vậy đề tài này cũng chọn hệ thống này để cấp nhiên liệu cho động cơ 2.1.3 Nguyên lý làm việc của hệ thống. .. cơ bản của bơm cao áp Các thông số của bơm cao áp được xác định theo lượng nhiên liệu cấp cho chu trình khi động cơ chạy ở chế độ thiết kế a Thể tích nhiên liệu chu cấp cho một chu trình ở chế độ thiết kế 23 Vct = g e Ne. (lít) (2-1) 120.n.i. nl Trong đó ge - Suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ ; ge = 206 (g/K W.h) Ne - Công suất thiết kế của động cơ ; Ne = 1760 KW i - Số xi lanh của động cơ. .. lần lượng nhiên liệu cực đại cấp cho động cơ Chọn : Q = 3,5.G (3-1) Trong đó : G- Lượng nhiên liệu cực đại cấp cho động cơ trong 1h (Động cơ quá tải 10%) G = 1,1.G (3-2) G - Lượng nhiên liệu cấp cho động cơ chạy ở chế độ định mức trong 1h G = ge Ne (3-3) Trong đó : ge - Suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ; ge = 206 (g/KW.h) Ne - Công suất thiết kế của động cơ; Ne = 1760 (KW) Thay các giá trị... - Kết cấu vòi phun Vòi phun là một trong những bộ phận quan trọng của hệ thống nhiên liệu Thực tế có rất nhiều loại vòi phun, việc sử dụng vòi phun loại nào phụ thuộc hoàn toàn vào hệ thống nhiên liệu: - Vòi phun nhiên liệu hở: Dùng cho hệ thống phun kiểu khí nén - Vòi phun nhiên liệu kín dùng van: Dùng cho hệ thống phun nhiên liệu gián tiếp - Vòi phun kiểu kín dùng kim phun: Loại này dùng cho hệ thống. .. nhiên liệu cho động cơ 2.1.3 Nguyên lý làm việc của hệ thống nhiên liệu 2.1.3.1 Sơ đồ nguyên lý.(sơ đồ Hình 2-2) 2.1.3.2 Nguyên lý làm việc Đã trình bày trong mục (2.1.2.2) 2.1.4 Thiết kế hệ thống nhiên liệu 2.1.4.1 Tính toán bơm cao áp 1 Nhiệm vụ bơm cao áp Bơm cao áp có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu cho xi lanh động cơ đảm bảo: 19 - Nhiên liệu có áp suất cao, tạo chênh áp lớn trước và sau lỗ phun -... dp = V 6.nc 4 k ct p c C p (2-4) Trong đó: Vct = 2300 (mm3) C - Hệ số cung cấp của bơm cao áp Đối với hệ thống nhiên liệu dùng bơm cao áp kiểu piston có rãnh xoắn thì C = 0,6 ữ 0,95; chọn C = 0,6 nC - Vòng quay của trục cam dẫn động bơm cao áp Chọn dạng cam lồi thì sẽ có: nC = n/2 ( n là vòng quay thiết kế của động cơ) k - Hệ số đánh giá tỷ số giữa tốc độ cung cấp cực đại với tốc độ trung bình k... -hàm lượng ẩm của không khí vào xi lanh - Lượng không khí thực tế nạp vào xi lanh trong 1 chu trình không kể đến hàm lượng ẩm của không khí (kg) G B = H VS S - Hệ số dư lượng không khí không kể đến hàm lượng ẩm = GB g ct G0 - Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu G0 = à S L0 - Khối lượng của 1 mol không khí à S = 28,96 kg/kmol - Hệ số dư lượng không khí có kể đến hàm lượng