intTypePromotion=1

Bài giảng Diesel tàu thủy 1 - ĐH Hàng Hải

Chia sẻ: Mai Van Mong | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:224

1
285
lượt xem
101
download

Bài giảng Diesel tàu thủy 1 - ĐH Hàng Hải

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu Bài giảng Diesel tàu thủy - Trường Đại học Hàng Hải, Bộ môn Động lực Diesel, Khoa Đóng tàu, Học phần Diesel tàu thủy 1 dành cho hệ đạo tạo Đại học chính quy tham khảo.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Diesel tàu thủy 1 - ĐH Hàng Hải

  1. BỘ GIAO THÔNG VẬN T O TẢI RƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI TR C G BỘ MÔN Đ Ộ ĐỘNG LỰ – DIE ỰC ESEL KHO ĐÓNG TÀU OA BÀ GIẢ ÀI ẢNG DIESE TÀ TH D EL ÀU HUỶ TÊ HỌC PHẦN: ÊN DIE ESEL TÀ THUỶ 1 ÀU Ỷ MÃ M HỌC P PHẦN: 1410 05 TR RÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO: Ộ ĐẠI HỌC C I CHÍNH Q QUY DÙ ÙNG CH SV NG HO GÀNH: MÁ TÀU T ÁY THỦY HẢ PHÒNG – 2010 ẢI G
  2. MỤC LỤC STT TÊN CHƯƠNG MỤC TRANG i Mục lục 1 ii Đề cương chi tiết 3 1. Chương 1: Sơ lược về động cơ đốt trong kiểu piston và nguyên lý làm việc 8 1.1 Khái niệm chung về sự làm việc của động cơ 8 1.2 Kết cấu chung của động cơ diesel 9 1.3 Các khái niệm và định nghĩa cơ bản 10 1.4 Nguyên lý làm việc của động cơ 11 1.5 Phân loại và nhãn hiệu động cơ 16 2. Chương 2: Môi chất công tác của chu trình thực tế 20 2.1 Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel 20 2.2 Lượng không khí nạp và sản phẩm cháy 28 3. Chương 3: Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong kiểu piston 34 3.1 Các giả thiết và các dạng chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong 34 3.2 Chu trình lý tưởng tổng quát 34 3.3 Phân tính chu trình lý tưởng tổng quát 39 4. Chương 4: Các quá trình công tác trong xi lanh động cơ 46 4.1 Quá trình nạp 46 4.2 Quá trình nén 53 4.3 Nhiệt động học quá trình cháy 56 4.4 Quá trình giãn nở 59 5. Chương 5: Các thông số chỉ thị và có ích của động cơ 64 5.1  Các thông số chỉ thị 64 5.2  Các thông số có ích 72 6.  Chương 6: Cấp nhiên liệu cho động cơ diesel 76 6.1  Hệ thống cấp nhiên liệu cho động cơ diesel 76 6.2  Điều chỉnh cấp nhiên liệu đối với bơm cao áp dạng van 77 6.3  Điều chỉnh cấp nhiên liệu đối với bơm cao áp kiểu Bôsơ 81 6.4  Kết cấu bơm cao áp và vòi phun 84 1   
  3. 6.5  Các quá trình thủy động học trong hệ thống cấp nhiên liệu 88 7.  Chương 7: Quá trình hòa trộn hỗn hợp và cháy trong động cơ 94 Diesel 7.1  Phun nhiên liệu vào xi lanh động cơ 94 7.2  Các loại buồng cháy và các phương pháp hòa trộn hỗn hợp 106 7.3  Cháy nhiên liệu 111 8.  Chương 8: Quá trình trao đổi khí trong động cơ diesel 130 8.1  Các chỉ số chất lượng trao đổi khí 130 8.2  Các quá trình trao đổi khí trong động cơ bốn kỳ 131 8.3  Các quá trình trao đổi khí trong động cơ hai kỳ 134 9.  Chương 9: Các phương pháp tăng công suất động cơ diesel 148 9.1  Phân tích các phương pháp tăng công suất động cơ diesel 148 9.2  Các sơ đồ tăng áp 150 9.3  Sử dụng năng lượng khí xả và phân tích các hệ thống tăng áp 154 9.4  Tăng áp động cơ diesel 4 kỳ 159 9.5  Tăng áp động cơ diesel 2 kỳ 161 9.6  Làm mát không khí tăng áp 164 10. Chương 10: Trao đổi nhiệt và ứng suất nhiệt trong động cơ diesel 168 10.1  Trao đổi nhiệt giữa môi chất công tác với vách ống lót xi lanh và với 168 nước làm mát 10.2  Các chỉ tiêu ứng suất nhiệt 173 10.3  Ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu và khai thác đến ứng suất nhiệt 178 10.4  Cân bằng nhiệt động cơ diesel 185 11.  Chương 11: Mô hình toán quá trình công tác của động cơ diesel 191 11.1  Phương pháp tính các quá trình công tác của động cơ diesel 191 11.2  Sơ đồ khối tính chu trình công tác của động cơ – máy nén – tua bin khí 195 xả 12.  Chương 12: Các chế độ làm việc và đặc tính của động cơ diesel tàu 208 thuỷ 12.1  Khái niệm 208 12.2  Các đường đặc tính tải 209 12.3  Các đường đặc tính tốc độ 212   Đề thi tham khảo kết thúc học phần 228 2   
  4. Chương 1 SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG KIỂU PISTON VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 1.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ Động cơ đốt trong kiểu piston là động cơ nhiệt, nhiệt truyền cho môi chất công tác do đốt cháy nhiên liệu trong buồng cháy, hoá năng của nhiên liệu được biến thành công cơ học ngay trong xi lanh. Không khí hay hỗn hợp không khí với nhiên liệu trong giai đoạn thứ nhất (nạp và nén) được gọi là môi chất công tác; giai đoạn hai: sau khi bốc cháy nhiên liệu sản phẩm cháy của nhiên liệu với ô xy của không khí được gọi là sản vật cháy; sản vật cháy giản nở và sinh công. So với các loại động cơ nhiệt khác động cơ đốt trong kiểu piston có tính ưu việt: - nguồn nhiệt được tạo thành ngay trong xi lanh động cơ nên giảm tổn thất nhiệt cho bề mặt làm mát; - trong chu trình công tác của ĐCĐT các thông số của môi chất công tác thay đổi liên tục và giới hạn trên lớn. Động cơ diesel cũng là một loại động cơ đốt trong kiểu piston, trong đó quá trình cấp nhiên liệu, hòa trộn hỗn hợp và cháy được thực hiện chủ yếu trong thể tích buồng cháy động cơ. Hầu hết động cơ diesel tàu thuỷ hiện đại đều là động cơ tăng áp, không khí được nạp cưỡng bức vào xi lanh động cơ. Nhờ vậy đảm bảo lượng không khí nạp vào các xi lanh, nên tăng được lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình, bởi thế công suất có ích của động cơ tăng lên. Khi áp dụng phương pháp tăng áp cho động cơ diesel tàu thuỷ người ta có tính đến năng lượng của khí xả giản nở tiếp tục trên cánh tua bin và nén khí trong máy nén do tua bin dẫn động. Nghiên cứu quá trình công tác của động cơ thấy rõ sự giản nở tiếp tục của khí trên cánh tua bin (dùng tua bin để tận dụng năng lượng khí thải) và nén không khí phía ngoài xi lanh sẽ tăng hiệu quả biến nhiệt năng của khí thành công có ích. Quá trình biến đổi nhiệt năng thành công cơ học trong xi lanh với các thông số của môi chất cao làm giảm tổn thất nhiệt của chu trình công tác, vì vậy hiệu suất nhiệt và tính kinh tế về nhiên liệu tăng lên. Tổ hợp gồm động cơ piston, máy nén, tua bin, làm mát trung gian có ảnh hưởng tốt đến các quá trình nhiệt và khí động học và đó cũng là chu trình của động cơ diesel tàu thuỷ. Trên hình1.1 trình bày sơ đồ nguyên lý động cơ Hình.1.1. Sơ đồ nguyên lý của động cơ diesel tàu thủy có guốc trượt, tăng áp hỗn hợp, làm mát điezen 2 kỳ có guốc trượt, tăng áp. không khí trung gian. Sản phẩm cháy sau khi sinh công MN-máy nén; TB-tua bin; K-ống xả; chỉ thị Li trong xi lanh được xả vào đường ống xả K (áp BLM-bầu làm mát không khí tăng áp; p0, suất không đổi), tiếp tục giản nở trên cánh tua bin đẳng T0-áp suất, nhiệt độ không khí trước cửa áp. hút máy nén; pk, Tk-áp suất, nhiệt độ Đối với động cơ diesel tàu thuỷ lớn nhiệt năng của không khí sau máy nén; ps, Ts-áp suất, khí sau tua bin được tận dụng trong các nồi hơi tận nhiệt độ không khí trước cửa nạp động cơ; dụng. Hơi nước sinh ra trong các nồi hơi được sử dụng pmax, Vmin, Tmax- áp suất, thể tích, nhiệt độ trong các thiết bị tua bin hơi, vì thế tính kinh tế của môi chất cuối quá trình nén trong xi lanh thiết bị năng lượng được tăng lên. động cơ; pmin, Vmax, Tmin- áp suất, thể tích, nhiệt độ sản vật cháy sau khi xả ra khỏi xi lanh động cơ. 8
  5. Máy nén (MN) do tua bin (TB) dẫn động nén không khí đến áp suất qui định, được làm mát trung gian tại bầu làm mát và nạp vào đường ống nạp, sau đó nạp vào xi lanh. 1.2. KẾT CẤU CHUNG ĐỘNG CƠ DIESEL Động cơ bao gồm các chi tiết cố định, các chi tiết chuyển động, cơ cấu phối khí và các hệ thống đảm bảo sự làm việc của nó cũng như các cơ cấu phụ và thiết bị (thiết bị điều khiển, điều chỉnh tự động, tổ hợp tăng áp và các thiết bị khác). 1.2.1. Các chi tiết cố định Các chi tiết cố định gồm: bệ, khung, khối xi lanh, nắp và các chi tiết liên kết chúng với nhau. Bệ động cơ được bắt chặt với khung bệ trong buồng máy. Trục khuỷu được đặt trên các ổ đỡ, các ổ đỡ trục khuỷu được bố trí trên khung bệ động cơ. Đối với động cơ nhỏ ổ đỡ trục khuỷu được đúc rời từng chiếc gọi là ổ đỡ treo, với động cơ lớn ổ đỡ được chế tạo bằng cách hàn hoặc đúc ngay trên bệ đỡ. Với khung kín thì phần dưới của ổ đỡ nó có bố trí máng lót. Phần dưới các máng lót có bố trí các lỗ cấp dầu bôi trơn. Với các khung hở máng lót được chế tạo rời bằng thép tấm và lắp ghép với phần dưới khung bằng các guzông. Phần dưới của khung bệ dùng làm thùng góp dầu chảy từ các chi tiết chuyển động xuống (gọi là các te). Khung thân đặt trên khung bệ được chế tạo bằng cách đúc từ gang hoặc thép, có thể hàn từ các tấm thép. Khung thân động cơ thấp tốc được chế tạo thành các khối riêng và được lắp ghép lại với nhau theo dạng chữ A hoặc dạng khối. Xi lanh được bố trí trong khung thân. Khoảng giữa các khung thân được che kín bằng các nắp thép, đối với động cơ lớn trên các nắp có bố trí cửa kiểm tra và van an toàn tránh áp suất cao trong các te. Các te là phần không gian phía dưới của khung bệ và khung thân thường dùng để chứa dầu bôi trơn tuần hoàn. Với các kết cấu hiện đại khung thân được chế tạo thành khối hoặc một khối để nâng cao độ vững chắc của các te. Xi lanh gồm vỏ bọc phía ngoài và ống lót phía trong. Ống lót xi lanh được ép vào sơ mi xi lanh, giữa chúng là khoang trống cho nước tuần hoàn. Ống lót thường được chế tạo từ gang kết cấu Peclít hay gang có mạ Crôm và Niken. Xi lanh được chế tạo riêng biệt hoặc đúc thành khối (phụ thuộc vào loại động cơ). Xi lanh, thân và bệ được liên kết với nhau bằng các bu lông dài. Do áp lực khí lên buồng cháy nên khung động cơ chịu kéo, dùng bu lông liên kết nối xi lanh, thân, bệ cho phép giảm lực kéo của chúng. Các bu lông liên kết siết chặt với lực lớn hơn so với lực phát sinh của khí cháy sinh ra trong xi lanh, do đó khối xi lanh và khung thân chịu nén. Nắp xi lanh dùng để đóng kín thể tích công tác, nắp xi lanh có bố trí xupáp nạp, xả, khởi động, an toàn, vòi phun nhiên liệu, van chỉ thị. Nắp xi lanh có kết cấu phức tạp, có các khoang trống để nước tuần hoàn, các gân tăng độ bền và các lỗ để lắp với các đường ống khác. Nắp chịu ứng suất nhiệt và cơ lớn, bởi thế vật liệu để chế tạo nó cần phải có giới hạn bền và hệ số dẫn nhiệt cao, hệ số giản dài nhỏ, chịu nhiệt tốt. 1.2.2. Các chi tiết chuyển động Với động cơ có đầu chữ thập các chi tiết chuyển động chủ yếu gồm: piston và các chi tiết lắp trên nó, thanh nối, đầu chữ thập, biên, trục khuỷu, bánh đà, với động cơ hình thùng không có thanh nối và đầu chữ thập. Piston là chi tiết tiếp nhận lực khí cháy và truyền lực đến biên, trục khuỷu. Piston làm việc trong điều kiện chịu lực nặng nề, chịu nhiệt cao. Thể tích công tác được bao bởi đáy nắp xi lanh, đỉnh piston và phần bề mặt làm việc của xi lanh khi piston ở điểm chết trên gọi là buồng cháy nhiên liệu. Về mặt kết cấu và công nghệ chế tạo thì 9
  6. piston là chi tiết phức tạp, kim loại dùng để chế tạo piston cần phải đảm bảo cơ tính khi nhiệt độ cao truyền nhiệt và chịu mòn tốt. Piston gồm phần đầu và phần dẫn hướng. Đỉnh và bề mặt bên bố trí tại phần đầu piston. Trên bề mặt bên bố trí các rãnh xéc măng khí và xéc măng dầu. Với động cơ thấp tốc tải lớn phần đầu piston thường được chế tạo từ thép chịu nhiệt, phần dẫn hướng thường được chế tạo từ gang hoặc hợp kim nhôm. Xéc măng khí đảm bảo làm kín và truyền nhiệt từ đầu piston đến bề mặt ống lót xi lanh. Để đảm bảo kín khí phụ thuộc vào loại động cơ thường bố trí từ 2-7 xéc măng phía trên cùng, phần còn lại bố trí xéc măng dầu dùng để gạt dầu bôi trơn và tăng tính tin cậy làm việc của nhóm piston. Piston các động cơ thấp tốc và một số động cơ trung tốc được làm mát bằng nước hoặc dầu tuần hoàn. Cán piston được chế tạo từ thép các bon dùng để nối piston với đầu chữ thập, lực khí cháy từ piston truyền đến cơ cấu biên khuỷu thông qua biên (thanh truyền). Đầu chữ thập nối cán với đầu nhỏ biên tiếp nhận lực đẩy ngang và truyền nó cho bệ trượt. Đầu chữ thập đảm bảo chuyển động thẳng đứng của piston, nên làm giảm độ mài mòn ống lót xi lanh. Biên được chế tạo từ thép các bon hoặc thép hợp kim, biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu, truyền lực từ piston đến trục khuỷu, nối liền với cổ biên thông qua bạc đỡ. Trục khuỷu là một trong các chi tiết quan trọng nhất, đắt tiền và chế tạo phức tạp. Công suất có ích do động cơ sinh ra được đo trên mặt bích ra của trục khuỷu. Mô men quay truyền cho chong chóng thông qua hệ trục hay thiết bị nhận lực khác. Trục khuỷu chịu lực uốn, xoắn lớn, các lực này luôn luôn thay đổi về dấu và trị số, vì thế để chế tạo trục khuỷu người ta dùng thép và gang chất lượng cao. Trục khuỷu động cơ thấp tốc công suất lớn được tính toán để suốt thời gian làm việc không phải sưả chữa lớn, khoảng 60÷80 nghìn giờ và hơn, nghĩa là trong suốt thời gian làm việc của tàu. Bánh đà được lắp ráp ở phần cuối trục khuỷu, có khối lượng lớn, dùng để duy trì mức độ không đồng đều đã cho của trục khuỷu và hệ trục, tích luỹ công dư trong hành trình sinh công của piston và giải phóng cho hệ trục trong các hành trình tiêu tốn công. Với các động cơ tàu thuỷ thấp tốc nhiều xi lanh thì bánh răng lắp ráp trên trục có công dụng như bánh đà. Các chi tiết của cơ cấu phối khí. Trục phối khí được trục khuỷu dẫn động thông qua hệ thống bánh răng hay xích truyền động, trên trục phối khí có bố trí cam phối khí và cam nhiên liệu đảm bảo điều khiển xupáp nạp, xả, phun nhiên liệu đúng thời điểm và theo thứ tự đã xác định trong hành trình tiến cũng như lùi. 1.2.3. Các hệ thống Để đảm bảo quá trình làm việc của động cơ dùng các hệ thống sau đây: - Hệ thống nhiên liệu: dùng để chuẩn bị nhiên liệu và cấp vào xi lanh đúng thời điểm với lượng xác định. - Hệ thống dầu nhờn: cấp dầu bôi trơn cho bề mặt làm việc các chi tiết chuyển động tương đối với nhau và làm mát các chi tiết này. - Hệ thống làm mát: dùng để làm mát các chi tiết và các cơ cấu có nhiệt độ cao. - Hệ thống khí nén: dùng để khởi động và hãm động cơ. - Hệ thống đảo chiều: dùng để đảo chiều quay trục khuỷu. - Hệ thống nạp thải: dùng để đảm bảo lượng không khí cấp vào xi lanh động cơ và xả sạch sản vật cháy. 1.3. CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA CƠ BẢN Trong động cơ diesel hoá năng của nhiên liệu trong quá trình cháy biến thành nhiệt năng, nhiệt năng biến thành công cơ học trực tiếp trong xi lanh. Khí cháy nhiên liệu có áp suất và nhiệt độ cao giản nở và truyền áp lực lên piston, piston dịch chuyển trong xi lanh. Chuyển động tịnh tiến của 10
  7. piston trong xi lanh biến thành chuyển động quay trục khuỷu nhờ cơ cấu biên khuỷu. Khi trục khuỷu quay piston thực hiện chuyển động tịnh tiến trong xi lanh và lần lượt nằm tại các vị trí trên và dưới, các vị trí đó được gọi là điểm chết trên và điểm chết dưới. Điểm chết trên (ĐCT) là vị trí của piston, tại đó khoảng cách từ piston đến đường tâm trục khuỷu là lớn nhất. Điểm chết dưới (ĐCD) là vị trí của piston, tại đó khoảng cách từ piston đến đường tâm trục khuỷu là nhỏ nhất. Các kích thước hình học chủ yếu của xi lanh động cơ là đường kính D và hành trình S của piston. Hành trình S của piston là khoảng cách piston dịch chuyển từ điểm chết này đến điểm chết kia. Mỗi hành trình của piston tương ứng với góc quay trục khuỷu ϕ =1800. Bán kính quay của khuỷu trục r là khoảng cách từ tâm cổ biên tới tâm cổ trục khuỷu. S=2r (S và r là 2 đại lượng không thay đổi). Thể tích buồng cháy (thể tích buồng nén) Vc là thể tích xi lanh khi piston nằm tại ĐCT. Thể tích công tác của xi lanh là thể tích được tạo thành khi piston thực hiện 1 hành trình: Vs = πD2S/4. Thể tích toàn bộ của piston: khi piston nằm ở ĐCD thể tích xi lanh được hình thành phía trên piston được gọi là thể tích toàn bộ của piston: Va= Vc + Vs . Tỷ số nén hình học: tỷ số giữa thể tích toàn bộ của xi lanh với thể tích buồng cháy được gọi là tỷ số nén lý thuyết hay tỷ số nén hình học, tỷ số nén: ε=Va/Vc. Chu trình công tác: toàn bộ các quá trình liên tục tạo nên sự hoạt động của động cơ và các quá trình lặp lại có tính chu kỳ trong mỗi xi lanh được gọi là chu trình công tác. Thì: một phần chu trình công tác diễn ra trong khoảng một hành trình S của piston gọi là thì hay kì. Chu trình công tác của động cơ đốt trong kiểu piston được thực hiện sau một hoặc hai vòng quay trục khuỷu. Với động cơ hai kỳ chu trình công tác thực hiện sau một vòng quay trục khuỷu (hai thì), với động cơ bốn kỳ chu trình công tác hoàn thành sau hai vòng quay trục khuỷu (bốn thì). Với động cơ bốn kỳ ứng với bốn hành trình piston có một hành trình sinh công, còn động cơ hai kỳ với hai hành trình có một hành trình sinh công. Các hành trình không sinh công gọi là các hành trình phụ, các hành trình này được thực hiện nhờ động năng của phần chuyển động quay của động cơ hay hành trình sinh công của các xi lanh khác (trong động cơ nhiều xi lanh). 1.4. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ 1.4.1. Động cơ diesel bốn kỳ Sơ đồ các quá trình của chu trình công tác của động cơ được biểu diễn trên đồ thị p- V, đó là sơ đồ thay đổi áp suất trong xi lanh cùng với sự thay đổi thể tích của nó tương ứng với sự thay đổi hành trình piston từ ĐCT đến ĐCD và ngược lại ứng với các thì đã xác định của động cơ. Thì thứ nhất- nạp (hình.1.2.a). Piston chuyển động từ ĐCT đến ĐCD. Không khí có áp suất pk=130÷390 kPa được máy nén cấp vào xi lanh qua xupáp nạp 1. Để đảm bảo lượng không khí nạp vào xi lanh lớn nhất với tổn thất áp suất nhỏ xupáp nạp được mở trước khi piston đến ĐCT với góc mở sớm xupáp nạp ϕns và đóng muộn với góc đóng muộn sau ĐCD ϕnm. Góc toàn bộ ứng với xupáp nạp ở trạng thái mở ϕn=250÷2800TK (góc quay trục khuỷu). Trên đồ thị quá trình nạp ứng với đường r-a. Ở cuối quá trình nạp không khí trong xi lanh đạt trị số pa=130÷390 kPa, ta=40÷1300C. - Thì thứ 2- nén (hình.1.2.b). Piston chuyển động từ ĐCD đến ĐCT nén không khí trong xi lanh . Quá trình nén được tính toán sao cho các thông số khí được nén đến giá trị đảm bảo bốc cháy nhiên liệu. Áp suất và nhiệt độ không khí cuối quá trình nén tăng lên đến giá trị pc = 4500÷8000 kPa; tc = 530÷7300C. Khi đó nhiệt độ của khí nén cao hơn nhiệt độ tự bốc cháy của nhiên liệu từ 160÷2000C. Quá trình nén được biểu thị bằng đường cong a-c trên đồ thị chỉ thị. 11
  8. - Thì thứ 3- cháy và giản nở (hình.1.2.c). Nhiên liệu được phun sớm vào xi lanh trước khi piston đến điểm chết trên. Góc phun sớm được tính toán, lựa chọn để các phản ứng lý hoá của nhiên liệu được diễn ra sao cho hỗn hợp bốc cháy khi piston ở ĐCT. Đoạn đồ thị c-z ứng với thời kỳ cháy nhiên liệu. Do cháy nhiên liệu tại ĐCT áp suất môi chất tăng lên tới pz=6000÷14000 kPa và nhiệt độ tz=1450÷17300C. Đường z’ - b trên đồ thị ứng với quá trình giãn nở. Cuối quá trình giãn nở (điểm b) áp suất và nhiệt độ khí cháy giảm : pb=350÷800 kPa, tc=630÷9300C. - Thì thứ 4 - xả (hình 1.2.e) . Piston dịch chuyển từ ĐCT đến ĐCD. Quá trình xả được bắt đầu từ thời điểm mở xupáp xả 2. Xupáp xả được mở trước khi piston đến ĐCD gọi là góc mở sớm ϕms, Hình. 1.2. Sơ đồ quá trình công tác của động cơ 4 kỳ. a-hành trình nạp; b-hành trình nén; c-hành trình cháy và giãn nở; d-hành trình xả; 1. xupáp hút; 2. xupáp xả. 12
  9. nhờ vậy làm sạch sản vật cháy trong xi lanh tốt hơn. Khí xả tiếp tục xả ra trong suốt hành trình xả và Hình 1.3. Đồ thị chỉ thị mở (a) và đồ thị pha phối khí (b) của động cơ 4 kỳ. r’a’-quá trình nạp;a’c’-quá trình nén;c’y’z’b’-quá trình cháy và giãn nở; r’r’’-quá trình trùng điệp; hc-góc phun sớm;c’c-góc bắt đầu cháy;hc’-góc cháy trì hoãn;fx, fn-tiết diện lưu thông cửa xả và cửa nạp. r-a -nạp, a-c -nén, c-b -cháy nhiên liệu và giãn nở sản phẩm cháy, b-r -hành trình xả. kết thúc khi đóng xupáp xả sau ĐCT. Góc đóng muộn so với ĐCT khoảng 40÷700TK. Quá trình xả khí trong xi lanh tương ứng với đường b-r. Trên đồ thị khí xả được giãn nở, sinh công trong tua bin và năng lượng của chúng được sử dụng để dẫn động máy nén, nén không khí trước khi nạp vào xilanh. Trên hình vẽ trình bày toàn bộ đồ thị chỉ thị quá trình làm việc của động cơ bốn kỳ có tăng áp. Gồm các quá trình : r-a -nạp, a-c -nén, c-b -cháy nhiên liệu và giãn nở sản phẩm cháy, b-r -xả sản vậ t cháy. Để phân tích, nghiên cứu mối quan hệ giữa các quá trình cũng như giữa các thời điểm đặc trưng trong chu trình công tác của động cơ có thể biểu diễn đồ thị chỉ thị và pha phối khí trên hệ tọa độ mở p-ϕ (hình 1.3). 1.4.2. Động cơ diesel hai kỳ 13
  10. Với động cơ hai kỳ nạp không khí vào xi lanh và làm sạch sản vật cháy được thực hiện ở cuối quá trình giãn nở và đầu quá trình nén. Khí xả được xả ra qua các cửa xả ở phần dưới xi lanh hoặc qua các xupáp xả trên nắp xi lanh (với động cơ quét thẳng qua xupáp ). Không khí có áp suất 150÷330 kPa nạp vào xi lanh qua cửa quét, các cửa này cũng được bố trí ở phần dưới của xilanh. Piston điều khiển việc đóng mở các cửa. Chu trình công tác của động cơ được thực hiện như sau. - Thì 1- quét và nén (hình 1.4.a). Khi piston dịch chuyển đến ĐCD các cửa quét 1 được mở ra, không khí tăng áp từ đường ống 3 được nạp vào xi lanh, thì nén được bắt đầu khi piston chuyển dịch từ ĐCD đến ĐCT. Lúc bắt đầu hành trình này việc quét và xả sản vật cháy vẫn được tiếp tục, sản vật cháy được xả qua các cửa xả 2 vào đường ống xả 4. Kết thúc quét và nạp không khí vào xi lanh tại thời điểm đóng các cửa quét và xả (đoạn a-a’ trên đồ thị). Sau khi đóng cơ cấu trao đổi khí quá trình nén bắt đầu (đường a-c). Quá trình này kết thúc khi piston đến ĐCT. Ở cuối quá trình nén áp suất, nhiệt độ không khí nén tăng lên pc=4,5÷7,5 MPa, t0=530÷7300C. - Thì thứ 2 - cháy, giãn nở, xả và quét (hình 1.4.b) ứng với hành trình của piston từ ĐCT đến ĐCD. Trước khi piston đến ĐCT (khi ϕ=3÷350 phụ thuộc loại động cơ) nhiên liệu được phun vào xilanh, nhiên liệu tự bốc cháy và cháy (đường c-z). Dưới tác dụng của áp lực khí cháy piston dịch chuyển đến ĐCD, thực hiện quá trình giãn nở (hành trình sinh công), tương ứng đường z-a’ trên đồ thị. Tại thời điểm mở các cửa xả 65÷750 trước ĐCD (với phương án xả qua xupáp khoảng 80÷900 trước ĐCD) bắt đầu xả sản vật cháy (điểm b) từ xi lanh vào đường ống xả 4, từ đó khí xả nạp vào tua bin khí xả, nhờ vậy áp suất khí trong xi lanh giảm nhanh. Cửa quét 1 được mở ra sau khi mép trên piston đi qua mép trên cửa quét trong hành trình đi xuống, khi đó áp suất khí xả trong xi lanh bằng hoặc nhỏ hơn áp suất khí nạp tăng áp. Từ thời điểm mở các cửa quét việc quét và nạp khí sạch vào xi lanh được bắt đầu. Quá trình quét được tiếp tục cho Hình1.4.Sơ đồ quá trình công tác của động cơ 2 kỳ. a. hành trình quét, nén; b. hành trình cháy giãn nở, xả, quét. đến khi piston dịch chuyển ngược lại đi lên ĐCT và đóng các cửa quét. Trên đồ thị chỉ thị (hình 1.4.b) mô tả các quá trình đặc trưng cho chu trình công tác. Đoạn a-c - nén, c-z - cháy nhiên liệu, z-b - giãn nở (sinh công), b-a’-a - trao đổi khí. Theo đồ thị có thể phân ra các thể tích đặc trưng của xi lanh được dùng trong các quá trình của chu trình công tác; Vs-thể tích làm việc; Vc- thể tích buồng cháy; Vs’-thể tích công tác thực tế, được tính từ thời điểm bắt đầu nén đến ĐCT; ΔVS - thể tích tổn thất phụ thuộc vào chiều cao cửa nạp và thải; Va- thể tích toàn bộ. Đồ thị chỉ thị và pha phối khí biểu diễn trên hệ tọa độ mở p-ϕ (hình 1.5). 14
  11. Hình.1.5. Đồ thị chỉ thị mở (a) và đồ thị pha phối khí (b) của động cơ hai kỳ quét thẳng qua xupáp . fn.tiết diện lưu thông cửa nạp; fx. tiết diện lưu thông cửa xả; pco-áp suất môi chất cuối quá trình nén; a a’- quá trình quét; ac’-quá trình nén lý thuyết; c’y’z’b’-quá trình cháy và giãn nở. Khi so sánh chu trình công tác động cơ hai kỳ và bốn kỳ có cùng đường kính xi lanh, hành trình piston, số xi lanh, số vòng quay thì công suất động cơ hai kỳ lớn hơn bốn kỳ. Theo lý thuyết, tính đến việc tăng chu trình công tác công suất động cơ hai kỳ lớn hơn động cơ bốn kỳ hai lần, nhưng thực tế cao hơn khoảng 1,75÷1,85 lần do tổn thất phần thể tích làm việc của xi lanh ΔVS, việc làm sạch xi lanh cũng như nạp khí sạch mới vào cũng xấu hơn. 1.5. PHA PHỐI KHÍ Trong quá trình làm việc không khí sạch và nhiên liệu được cấp vào xi lanh động cơ ứng với các thời điểm xác định. Sau khi cháy nhiên liệu sản vật cháy, sinh công và xả ra khỏi xi lanh. Việc nạp không khí và làm sạch xi lanh đối với động cơ bốn kỳ thực hiện thông qua xupáp nạp, xả, với động cơ hai kỳ thông qua cửa nạp, xả hoặc xả qua xupáp xả trên nắp xi lanh. Thời điểm mở và đóng các cơ cấu phối khí (các xupáp và cửa) biểu diễn theo độ góc quay trục khuỷu gọi là pha phối khí. Các pha phối khí được biểu diễn trên đồ thị tròn- gọi là đồ thị phối khí. Đối với động cơ bốn kỳ (hình 1.6.a) thời gian của thời kỳ trao đổi khí lớn hơn so với động cơ hai kỳ. Các xupáp xả được mở sớm hơn so với ĐCD và đóng muộn sau ĐCT. Tất cả thời gian trao đổi khí khoảng 400÷4500 góc quay trục khuỷu. Trên đồ thị tròn biểu diễn các thời kỳ của chu trình công tác: 1-nạp, 2-nén, 3-sinh công, 4-xả . Từ đồ thị thấy rõ xupáp nạp bắt đầu mở khi xupáp xả còn chưa đóng. Thời kỳ xupáp nạp và xupáp xả đồng thời mở được gọi là thời kỳ mở trùng điệp của xupáp. Thời kỳ mở sớm đảm bảo làm sạch xi lanh hơn, làm tăng lượng khí nạp mới và làm mát thành buồng cháy tốt hơn. Đóng muộn xupáp xả, mở sớm xupáp nạp làm tăng tiết diện lưu thông ở cuối thì xả và đầu thì nạp. Với động cơ hai kỳ quá trình trao đổi khí thực hiện ứng với một phần của hành trình giản nở và nén ở trước và sau ĐCD (hình 1.6.b). Với các động cơ hai kỳ thấp tốc hiện đại cửa quét và xả được mở nhờ mép trên đỉnh piston. Bởi thế đồ thị vòng của pha phối khí đối xứng tương đối với ĐCD (hình 1.6.b,I). Với động cơ hai kỳ quét thẳng xupáp xả được điều khiển bằng cơ cấu phối khí, cửa quét được đóng mở nhờ mép trên của đỉnh piston. Đồ thị vòng của động cơ có thể không đối xứng qua ĐCD ( hình 1.6.b,II ). 15
  12. Hình.1.6. Đồ thị vòng pha phối khí động cơ. a. bốn kỳ; b. hai kỳ; I. quét, xả qua cửa; II. quét qua cửa, xả qua xupáp . Với các động cơ tàu thuỷ có sơ đồ trao đổi khí quét thẳng và piston đối hướng các cửa quét và xả được mở nhờ mép trên của piston. Với loại động cơ này đồ thị tròn của pha phối khí không đối xứng tương đối qua ĐCD vì các piston đi qua vị trí điểm chết không đồng thời. Thời gian quá trình trao đổi khí trong các động cơ hai kỳ nhỏ hơn động cơ hai kỳ, tất cả khoảng 120÷1500TK. 1.6. PHÂN LOẠI VÀ NHÃN HIỆU ĐỘNG CƠ 1.6.1. Phân loại động cơ Động cơ điezen tàu thuỷ có thể phân loại theo các dấu hiệu đặc trưng chủ yếu sau: - Theo cách thực hiện chu trình công tác: phân ra động cơ bốn kỳ, hai kỳ; động cơ bốn kỳ chu trình công tác hoàn thành sau bốn hành trình của piston, động cơ hai kỳ chu trình công tác được thực hiện sau hai hành trình của piston; - Theo phương pháp tác động: + Tác động đơn: chu trình công tác thực hiện chỉ trong một khoang xi lanh ở phía trên piston; + Tác động kép: chu trình công tác được thực hiện ở hai khoang của xi lanh, nghĩa là phần phía trên piston và phần phía dưới piston, phương án này không được sử dụng trên đội tàu biển do phức tạp và ứng suất nhiệt lớn; + Với phương án piston đối hướng trong một xi lanh thì buồng cháy chung được bố trí tại ĐCT; - Theo phương pháp nạp khí vào xi lanh phân ra: + Không tăng áp: không khí nạp vào xi lanh được thực hiện nhờ piston hút không khí môi trường xung quanh, phương án này được dùng cho một số động cơ công suất nhỏ; + Có tăng áp: không khí nạp vào xi lanh có áp suất cao nhờ máy nén tăng áp dẫn động bằng cơ giới hoặc tua bin khí thải, phương án này được dùng rộng rãi cho tất cả các loại động cơ, đặc biệt là động cơ diesel tàu thủy có công suất vừa và lớn; - Theo phương pháp phân bố xi lanh phân ra: + Xi lanh phân bố một hàng thẳng đứng; + Xi lanh phân bố thành hai hàng song song hay phân bố hai hàng dạng chữ V; + Phân bố nhiều hàng với các dạng khác nhau (chữ X, W, Δ). - Theo kết cấu buồng cháy phân ra: + Buồng cháy thống nhất (được sử dụng chủ yếu đối với động cơ có công suất trung bình và công suất lớn); 16
  13. + Buồng cháy bán phân cách (với động cơ có buồng cháy trên đỉnh piston); + buồng cháy phân cách có hai hoặc nhiều khoang buồng cháy (sử dụng cho các động cơ cao tốc có công suất nhỏ); - Theo kết cấu cơ cấu piston-biên khuỷu phân ra: + Động cơ hình thùng: phần dẫn hướng là thân piston, lực pháp tuyến khí cháy truyền lên thành xi lanh thông qua thân piston; + Động cơ có đầu chữ thập: phần dẫn hướng là con trượt của đầu chữ thập, con trượt dịch chuyển song song với bề mặt trượt và truyền áp lực lên thành thanh trượt; - Theo sự thay đổi hướng quay trục khuỷu phân ra: + Động cơ không tự đảo chiều: trục khuỷu động cơ quay theo 1 chiều (thường dùng đối với động cơ diesel phụ hoặc động cơ chính làm việc với chong chóng biến bước); + Động cơ tự đảo chiều: chiều quay trục khuỷu được thay đổi nhờ thiết bị đảo chiều, thiết bị đảo chiều được thay đổi nhờ pha phối khí (với động cơ chính tàu thuỷ truyền trực tiếp đến chân vịt); - Theo số vòng quay trục khuỷu phân ra: + Động cơ thấp tốc : n ≤ 350 v/ph.; + Động cơ trung tốc: n =350÷750 v/ph.; + Động cơ cao tốc: n = 750÷2500 v/ph.; - Theo công dụng phân ra: + Động cơ chính tự đảo chiều truyền động trực tiếp tới chong chóng; + Động cơ chính không tự đảo chiều lai máy phát hay chong chóng biến bước; + Động cơ phụ không đảo chiều dẫn động cơ cấu phụ (máy phát, máy nén và các thiết bị khác). 1.6.2. Nhãn hiệu động cơ diesel tàu thuỷ Các nhãn hiệu động cơ cho biết kích thước chủ yếu, kết cấu đặc biệt của động cơ. + Các động cơ do Cộng hoà liên bang Nga chế tạo: Ч-động cơ bốn kỳ; Д- động cơ hai kỳ; Γ- động cơ chính; P - động cơ đảo chiều; C - động cơ có khớp nối đảo chiều; Π- truyền động qua hộp số; K- đầu chữ thập; H- động cơ tăng áp; số đầu-số xi lanh, các chữ cái đặc trưng cho động cơ, phần phân số - tử số là đường kính xi lanh, mẫu số là hành trình piston, cm. Các số sau phân số là số kiểu loại động cơ. Ví dụ động cơ diesel tàu thuỷ 8 xi lanh có đầu chữ thập, tự đảo chiều, có tăng áp, kiểu thứ 3, đường kính xi lanh 740 mm và hành trình piston 1600 mm có nhãn hiệu: 8ДKPH 74/160-3. Tại một vài nhà máy chế tạo động cơ của Cộng hoà liên bang Nga ngoài nhãn hiệu theo chuẩn còn sử dụng nhãn hiệu của nhà máy. Ví dụ: Nhãn hiệu của nhà máy ДБ-6 ứng với nhãn hiệu chuẩn 6ДKPH74/160; nhãn hiệu của nhà máy điezen 14Д100 ứng với nhãn hiệu chuẩn là 10ДH20,7/(2x25,4)- động cơ hai kỳ đối hướng, không tự đảo chiều, tăng áp liên hợp có đường kính xi lanh 207 mm, hành trình mỗi piston 254 mm. Theo nhãn hiệu nhà máy động cơ Д50 dùng trên tàu thuỷ ứng với nhãn hiệu chuẩn là 6ЧH31,8/33- động cơ 4 kỳ không tự đảo chiều có tăng áp bằng tua bin khí thải; 6 xi lanh; đường kính xi lanh 318 mm; hành trình piston 330 mm. + Các động cơ hãng SKL chế tạo: D-điezen; V- bốn kỳ; Z- hai kỳ; K- hành trình piston bé (S/D≤1,3); hành trình piston trung bình (S/D>1,3); A- có tăng áp; S- có bộ li hợp đảo chiều; U- tự đảo chiều; số đầu- số xi lanh; số thứ 2- hành trình piston, cm; số thứ 3- số lần cải tiến. Ví dụ: 6NVD36AU- động cơ diesel bốn kỳ, 6 xi lanh, hành trình piston 36 cm, có tăng áp, tự đảo chiều, có tỷ số S/D>1,3. + Các động cơ hãng SKODA chế tạo: S- không tự đảo chiều; R- đảo chiều; L- máy quay trái; P- máy quay phải; PN- tăng áp bằng tua bin khí xả ; số đầu- số xi lanh; số thứ 2- đường kính xi lanh, mm; số La mã - số lần cải tiến. Ví dụ: 6L350PN- động cơ tăng áp bằng tua bin khí xả , có chiều quay trái, 6 xi lanh, đường kính xi lanh 350 mm. + Các động cơ hãng BURMEISTER &VAIN chế tạo: M- động cơ bốn kỳ; V- động cơ hai kỳ; F- có đảo chiều; T- đầu chữ thập; B- có tua bin tăng áp tua bin khí thải; H- động cơ phụ; số đầu- chỉ số 17
  14. xi lanh; số thứ 2- chỉ đường kính xi lanh, cm; số thứ 3- hành trình piston, cm (nếu có 3 số), nếu có 2 số thì số đầu chỉ đường kính xi lanh, số sau là hành trình piston. Ví dụ: 21MTBF30- động cơ tàu thuỷ, bốn kỳ, tăng áp, có guốc trượt, đường kính xi lanh D=21 cm, hành trình piston S=30 cm. Ví dụ: 874VTBF 160 (theo chuẩn Cộng hoà liên bang Nga: 8ДKPH74/160) là động cơ diesel hai, 8 xi lanh, tác động đơn, có guốc trượt, có tăng áp tua bin khí xả , tự đảo chiều, đường kính xi lanh 740 mm, hành trình piston 1600 mm. + Các động cơ hãng Sunzer chế tạo: B- động cơ bốn kỳ; Z- động cơ hai kỳ; D- đảo chiều; S- có đầu chữ thập; T- động cơ hình thùng; A- có tăng áp bằng tua bin khí thải; V- động cơ chữ V; H- động cơ phụ; G- động cơ kèm theo hộp số; M- động cơ không có guốc trượt, hành trình ngắn; số đầu- chỉ đường kính xi lanh, cm; số sau là hành trình piston, cm. + Các động cơ hãng MAN chế tạo: V- động cơ bốn kỳ; Z- động cơ hai kỳ; K- động cơ có đầu chữ thập; O- động cơ hình thùng; C, D, E-đ ộng cơ có tăng áp thấp, trung bình và cao; L-có làm mát không khí tăng áp; T- có buồng đốt phân cách; số đầu- số xi lanh; tử số của phân số- đường kính xi lanh, cm; mẫu số- hành trình piston, cm. Ví dụ: Động cơ K6Z57/80C (6ÄKPH 57/80) là động cơ có đầu chữ thập, 6 xi lanh, hai kỳ, với đường kính xi lanh 570 mm, hành trình piston 800 mm, có tăng áp bằng tua bin khí xả. + Các động cơ hãng MITSUBSHI của Nhật chế tạo: T- không có đầu chữ thập; C- có đầu chữ thập; U- quét thẳng qua xupáp ; E- tăng áp tua bin khí xả ; V- động cơ chữ V; W-động cơ chữ W; Z- kết cấu mới; A, C cuối cùng- cải tiến lần thứ 1, 2; tử số của phân số-đường kính xi lanh, mm; mẫu số- hành trình piston, mm. + Các động cơ hãng DOCKSFORD của Anh chế tạo: PJ-tên người thiết kế đầu tiên; N-có bố trí bơm quét bên hông; T, J-tăng áp tua bin khí xả ; số đầu: đường kính xi lanh, cm; số cuối-số xi lanh; các động cơ diesel hai kỳ đều có guốc trượt, piston đối đỉnh. + Các động cơ hãng STORK của Hà lan chế tạo: R-bốn kỳ; T - hai kỳ; B- buồng cháy xoáy lốc; H- buồng cháy kiểu Hexman; O- tự đảo chiều; o- tăng áp tua bin khí xả ; K- làm mát không khí tăng áp (động cơ bốn kỳ); L-quét thẳng qua xupáp; số đầu-ố xi lanh; tử số của phân số-ường kính xi lanh, cm; mẫu số-ành trình piston, cm. + Các động cơ hãng FIAT của Italia chế tạo: S, SS-động cơ có tăng áp; T-ó bàn trượt và đường kính xi lanh đến 600 mm; C, B-ộng cơ được cải tiến; R-ộng cơ bốn kỳ, đảo chiều. số-đường kính xi lanh. Ví dụ: 480TS; B680S; 900S. + Các động cơ hãng GOTAVERKEN của Thuỵ điển chế tạo: DM- diesel; V-tác dụng đơn giản; G-c ó bàn trượt; U- có tăng áp; S- bệ và giá động cơ hàn; A- bệ hàn, còn giá đúc; tử số của phân số- đường kính xi lanh; mẫu số- hành trình piston, mm; số tiếp theo- số xi lanh. Ví dụ: DM 520/900 VGA-U. Câu hỏi ôn t ập ch ương 1: 1. Thế nào là máy? Thế nào là động cơ nhiệt? Thế nào là động cơ đốt trong? Thế nào là động cơ đốt ngoài? 2. Thế nào là động cơ xăng? Thế nào là động cơ diesel? 3. Ưu, nh ược điểm của động cơ đốt trong kiểu piston? 4. Vì sao động cơ đốt trong có hiệu suất nhiệt và tính kinh tế cao? 5. Làm thế nào để tăng hiệu suất nhiệt của động cơ diesel? 6. Động cơ diesel gồm có những chi tiết cố định chủ yếu nào? 7. Động cơ diesel gồm có những chi tiết chuyển động chủ yếu nào? 8. Để đảm bảo cho động cơ diesel hoạt động trên động cơ cần phải trang bị những hệ thống nào? 9. Nêu tác dụng của từng hệ thống của động cơ diesel? 10. Chu trình công tác của động cơ diesel bốn kỳ, hai kỳ bao gồm bao nhiều hành trình piston, những hành trình nào? 11. Vẽ đồ thị chỉ thị mở của động cơ diesel bốn kỳ và đánh dấu các điểm đặc tr ưng của chu trình và giải thích? 18
  15. 12. Vẽ đồ thị chỉ thị mở của động cơ diesel hai kỳ và đánh dấu các điểm đặc tr ưng của chu trình và giải thích ? 13. Vẽ đồ thị công của động cơ diesel bốn kỳ và đánh dấu các điểm đặc tr ưng của chu trình? 14. Vẽ đồ thị công của động cơ diesel hai kỳ và đánh dấu các điểm đặc tr ưng của chu trình? 15. Vẽ đồ thị vòng pha phối khí động cơ diesel 4 kỳ và giải thích? 16. Vẽ đồ thị vòng pha phối khí động cơ diesel 2 kỳ quét xả qua cửa và giải thích? 17. Thế nào là động cơ diesel không tăng áp và động cơ diesel tăng áp? 18. Thế nào là động cơ diesel dạng hình thùng? 19. Thế nào là động cơ diesel có guốc tr ượt? 20. Nhgn hiệu động cơ cho ta biết điều gì?cho ví dụ? 19
  16. Chương 10 TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL Trong quá trình làm việc của động cơ nhiệt từ khí cháy truyền cho nước làm mát thông qua vách ống lót xi lanh. Quá trình này rất cần thiết để đảm bảo trạng thái nhiệt các chi tiết của động cơ. Lượng nhiệt mất mát tăng lên làm giảm hiệu suất chỉ thị của chu trình. Trong một chu trình cường độ trao nhiệt từ khí đến vách ống lót xi lanh thay đổi theo góc quay trục khuỷu. Nhiệt độ môi chất công tác trong ống lót xi lanh thay đổi có tính chất xung, phụ thuộc vào góc quay trục khuỷu. Trong động cơ diesel truyền nhiệt thực hiện đồng thời ba hình thức: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Quá trình truyền nhiệt từ môi chất công tác đến nước làm mát xảy ra ba pha liên tiếp: - Tỏa nhiệt từ môi chất đến vách; - Dẫn nhiệt qua vách; - Tỏa nhiệt từ vách đến nước làm mát. Trong quá trình làm việc của động cơ các chi tiết tiếp xúc với môi chất công tác có áp suất và nhiệt độ cao là piston; nắp xi lanh; ống lót xi lanh, nhưng trong đó ống lót xi lanh và piston là chi tiết làm việc trong điều kiện khắc nghiệt hơn, vì thế trong phần này chủ yếu phân tích điều kiện làm việc và tính toán ứng suất nhiệt của chúng. Nhiệm vụ nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt trong động cơ là xác định nhiệt độ vách ống lót xi lanh, piston, trên cơ sở đó tính ứng suất nhiệt xuất hiện trong piston-ống lót xi lanh và kiểm tra các chi tiết đó có bị quá nhiệt không, đồng thời kiểm tra nhiệt độ bề mặt gương ống lót xi lanh có tương ứng với loại dầu bôi trơn hay không. Các công trình nghiên cứu thực nghiệm nêu rõ, dao động nhiệt độ trên bề mặt không sâu quá 1 mm. Trong thời gian động cơ hoạt động phần kim loại chính phân bố nhiệt độ ổn định. Chế độ nhiệt này bị phá hủy khi thay đổi chế độ công tác của động cơ, cũng như khi khởi động và đảo chiều. 10.1. Trao đổi nhiệt giữa khí với vách ống lót xi lanh Làm mát các chi tiết nhóm piston-ống lót xi lanh để giảm nhiệt độ, đảm bảo độ bền của chúng và đảm bảo tính chất bôi trơn của dầu bôi trơn ống lót xi lanh. Một phần nhiệt toả ra khi cháy nhiên liệu thông qua vách truyền cho công chất làm mát (nước hoặc dầu). Trao đổi nhiệt giữa khí với vách ống lót xi lanh ảnh hưởng đến các thông số quá trình công tác trong xi lanh động cơ. Khi tính gần đúng quá trình công tác người ta tính nhờ hệ số sử dụng nhiệt ξZ và ξb. Khi mô hình toán học quá trình công tác lượng nhiệt trao đổi dQW/dϕ được tính thông qua phương trình cân bằng năng lượng (ϕ- góc quay trục khuỷu; rad). Lượng nhiệt cấp cho môi chất công tác (hay do môi chất nhả ra) trong quá trình trao đổi nhiệt với vách ống lót xi lanh được tính theo phương trình truyền nhiệt của Niutơn, kJ: dQW = αmc.FW.(T1v - T).dt , (10.1) 2 2 αmc - hệ số trao nhiệt từ khí đến vách, kW/(m .K); kcal/( m hK); [1kcal/(m2hK) = 1,163 W/(m2.K)]. FW- bề mặt trao đổi nhiệt tức thời, m2; T1v - nhiệt độ trung bình của vách ống lót xi lanh, K; T - nhiệt độ tức thời của khí trong ống lót xi lanh, K; t - thời gian trao đổi nhiệt, s. Vi phân thời gian dt khi n=const phụ thuộc góc quay trục khuỷu: dt=dϕ/(6n). Thay dt vào phương trình (10.1) và biến đổi: dQW 1 = α mc . FW . ( T1v − T ) , (10.2). dϕ 6n Hệ số trao nhiệt từ khí đến vách thường được xác định theo công thức thực nghiệm, nó là hàm của tốc độ trung bình piston, áp suất, nhiệt độ môi chất trong xi lanh: 168
  17. α mc = a. Cm . p y . T Z ; x Cm - tốc độ trung bình của piston, m/s; p, T -áp suất, nhiệt độ môi chất trong xi lanh, (kPa; K); a, x, y, z- hệ số thực nghiệm. Một trong các công thức thường dùng là công thức Haizenbek, kW/(m2.K): α mc = 0,247.10 −3 . 3 Cm . p. T . (10.3) Khi tính trao đổi nhiệt giữa môi chất với vách ống lót xi lanh thì hệ số trao đổi nhiệt αmc từ khí đến vách có thể coi bằng nhau đối với tất cả bề mặt trao đổi nhiệt tại thời điểm xem xét của chu trình. Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của các chi tiết tiếp xúc với môi chất khi piston dịch chuyển được tính, m2: π . D2 π . D2 ⎛ S ⎞ FW = 2 ( ) + π . D. hc + S ϕ = 2 + π . D. ⎜ ⎝ε − 1 + Sϕ ⎟ , ⎠ (10.4) D- đường kính ống lót xi lanh, m; ε - tỷ số nén lý thuyết; hc -chiều cao buồng cháy; Sϕ- độ dịch chuyển tức thời của piston : Sϕ= 0,5S(1- cosϕ + λ/2.sin2ϕ). 10.2. Trao đổi nhiệt giữa vách ống lót xi lanh với nước làm mát 10.2.1. Cơ chế trao đổi nhiệt trong khoang nước làm mát Quá trình trao đổi nhiệt giữa ống lót xi lanh và nước làm mát diễn ra phức tạp. Quá trình này phụ thuộc vào các yếu tố: đặc điểm của chế độ thủy động lực của nước làm mát trong các khoang làm mát; hệ số toả nhiệt của nước; nhiệt độ và áp suất của nước làm mát; ngoài ra nó còn chịu ảnh hưởng của sự rung động ống lót xi lanh do lực khí cháy, lực quán tính gây ra. Phụ tải của động cơ, đặc điểm kết cấu của khoang nước làm mát của động cơ cũng ảnh hưởng lớn tới quá trình trao đổi nhiệt giữa ống lót xi lanh và nước làm mát. Đặc điểm kết cấu khoang làm mát sẽ ảnh hưởng đến chế độ dòng chảy của nước trong các khoang làm mát, do đó làm thay đổi hệ số toả nhiệt của chúng. Khi thay đổi phụ tải trước hết làm thay đổi nhiệt độ của vách buồng cháy, do đó có thể làm thay đổi trạng thái của lớp nước tiếp xúc với bề mặt trao nhiệt. Khi phụ tải động cơ ở mức vừa phải, nhiệt độ bề mặt trao nhiệt tiếp xúc với nước làm mát thường thấp hơn nhiệt độ bão hoà ứng với áp suất trong khoang làm mát (hình 10.1 vùng I). Trong vùng này quá trình trao đổi nhiệt không xảy ra sự chuyển tiếp pha và cường độ trao đổi nhiệt chủ yếu phụ thuộc vào chế độ dòng chảy của nước trong khoang nước làm mát. Khi tăng phụ tải của động cơ hoặc tăng nhiệt độ nước làm mát (hoặc giảm áp suất nước làm mát) thì quá trình trao đổi nhiệt sẽ diễn ra ở vùng II. ở vùng này nhiệt độ của bề mặt tỏa nhiệt có giá trị lớn hơn so với nhiệt độ bão hoà của nước làm mát. Trong trường hợp này lớp nước tiếp xúc với bề mặt tỏa nhiệt bị quá nhiệt và bắt đầu xuất hiện các túi hơi. Trong quá trình chuyển động các túi hơi này sẽ bị cuốn vào vùng có nhiệt độ thấp và ngưng tụ lại. Trong trường hợp này không xảy ra quá trình sôi, nhưng cường độ trao nhiệt tăng lên đột ngột. Tiếp tục tăng phụ tải của động cơ có thể làm cho nhiệt độ của nước làm mát đạt đến nhiệt độ bão hoà lúc này quá trình trao Hình 10.1. Sự phụ thuộc nhiệt đổi nhiệt sẽ diễn ra ở vùng III - vùng sôi. Khi đó quá trình trao độ bề mặt làm mát và hệ số trao đổi nhiệt sẽ diễn ra khó khăn hơn vì hệ số trao đổi nhiệt của nhiệt vào nhiệt độ nước làm nước (ở trạng thái hơi) sẽ giảm đáng kể. Quá trình trao đổi mát. nhiệt giữa các bề mặt trao nhiệt và nước làm mát diễn ra ở I và II là tốt nhất. Nhưng trong thực tế khai thác rất khó duy trì quá trình trao đổi nhiệt chỉ diễn ra ở vùng I và II. Mặt khác trên cùng một chi tiết tại các điểm khác nhau, nhiệt độ cũng khác nhau nhiều. Ví dụ 169
  18. nhiệt độ ở vách ống lót xi lanh ở phía trên (khu vực buồng cháy) rất cao có thể làm cho nhiệt độ của nước đạt đến nhiệt độ bão hoà nhưng nhiệt độ ở phía dưới của ống lót xi lanh thì thấp hơn. Vì vậy thực tế trong động cơ xảy ra cả trường hợp trao đổi nhiệt khi sôi trên bề mặt. Trong thực tế, dựa vào kết quả nghiên cứu hãng MAK đã chế tạo ống lót xi lanh các động cơ trung tốc chỉ làm mát phần buồng cháy. Do đó khi nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt giữa ống lót xi lanh và nước làm mát, không chỉ nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt ở vùng I và II mà còn phải nghiên cứu cả quá trình trao đổi nhiệt ở cả vùng III. Ngoài ra do tác dụng của lực khí cháy, lực quán tính thay đổi có tính chu kỳ gây nên hiện tượng rung động bề mặt làm mát, do đó cường độ trao đổi nhiệt tăng lên. 10.2.2. Trao đổi nhiệt giữa ống lót xi lanh và nước làm mát khi không sôi bề mặt Do sự đa dạng của bề mặt làm mát, khoang làm mát, có vùng không lưu thông, có vùng chảy ngược, có vùng tuần hoàn kín nên việc tính nhiệt và thuỷ lực hệ thống làm mát khó khăn. Để đánh giá các thông số trao đổi nhiệt nên sử dụng sự phụ thuộc thực nghiệm ổn định. Khi không có hiện tượng sôi bề mặt đối với bề mặt ống lót xi lanh có thể tính hệ số trao nhiệt theo công thức gần đúng G.B. Rozenblit: Cω n0,41ω rd,23 0 αn = , (10.5) ρn0,32 d td,36 0 C - Hệ số phụ thuộc vào điều kiện cố định ống lót xi lanh; C=61,5 đối với ống lót ép vào blốc; C=33,8 đối với ống lót ép vào sơ mi; ωn - Tốc độ dòng nước làm mát, m/s; ωrd - Tần số rung động ống lót xi lanh, 1/s; ρn - Khối lượng riêng nước làm mát, kg/m3; dtd - Đường kính tương đương của khoang nước làm mát, m; dtd=d2 - d1 d2; d1 - Đường kính ngoài và đường kính trong khoang nước làm mát, m. Tần số rung động ống lót xi lanh được tính theo công thức thực nghiệm: 3 2 ⎛ 2n ⎞ ⎛ 2n ⎞ ⎛ 2n ⎞ ω rd = 8,34.10 −10 ⎜ ⎟ + 7,2510 − 6 ⎜ ⎟ − 1,38510 − 3 ⎜ ⎟ + 0,54., (10.6) . . ⎝τ ⎠ ⎝τ ⎠ ⎝τ ⎠ τ - Hệ số kỳ. 10.2.3. Trao đổi nhiệt trong khoang làm mát khi sôi bề mặt Khi động cơ bị quá tải nhiệt, nhiệt độ nhóm piston, ống lót xi lanh, nắp xi lanh tăng lên, làm cho nhiệt độ bề mặt vách tiếp xúc với nước làm mát lớn hơn nhiệt độ bão hoà của nước trong khoang làm mát. Mặt khác bề mặt tiếp xúc với nước làm mát lại có độ nhám tạo thành các tâm hoá hơi. Trong điều kiện này trên bề mặt toả nhiệt tại các tâm hoá hơi bắt đầu xuất hiện bọt hơi có kích thước rất nhỏ. Chúng được xem như "những mầm hơi" để tạo thành pha hơi. Các bọt hơi này lớn dần lên và khi đủ điều kiện chúng tách khỏi bề mặt toả nhiệt và thoát ra khỏi lớp biên. Do nhiệt độ bề ngoài lớp biên nhỏ hơn nhiệt độ bão hoà của nước làm mát do đó hơi nước trong bọt hơi bị ngưng tụ và các bọt hơi biến mất. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng sôi bề mặt và quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt toả nhiệt và nước làm mát trong trường hợp này là quá trình trao đổi nhiệt khi sôi bề mặt. Cường độ trao đổi nhiệt khi sôi lớn hơn cường độ trao đổi nhiệt khi không có sự chuyển pha do quá trình tạo thành pha hơi làm cho lớp chất lỏng trên bề mặt toả nhiệt bị xáo động mạnh. Khi xuất hiện sôi bề mặt cường độ trao nhiệt được quyết định bởi cường độ hình thành và phát triển ngưng tụ bọt hơi. Để đánh giá cường độ trao nhiệt ở chế độ sôi bề mặt có thể dùng công thức thực nghiệm: 170
  19. 0,5 −0 , 35 ,, 0 , 7 ⎛ pn ⎞ ⎛d ⎞ N u = 1,2.10 k f P 2 0,4 e ⎜ ⎟ p ⎜ 2⎟ 0,3 r , (10.7) ⎝ p0 ⎠ ⎝ d td ⎠ Pe,, = ql (rρh λh ) - số Pecke; kf=r/(ts-tn), ts; tn - nhiệt độ nước sôi trên bề mặt vách ống lót xi lanh tiếp xúc với nước làm mát và nhiệt độ nước trong hệ thống, 0C; q - Mật độ dòng nhiệt, W/m2; pn, p0 - Áp suất nước trong hệ thống và áp suất không khí môi trường, Pa; r - Nhiệt ẩn hoá hơi; ρh -khối lượng riêng của hơi nước, kg/m3; λh - Hệ số dẫn nhiệt của hơi nước, W/(m.độ); l -kích thước cơ bản, m; δc l= g( ρn − ρh ) δc - Sức căng bề mặt nước làm mát, N/cm2; ρn - Khối lượng riêng của nước làm mát , kg/m3; g -gia tốc trọng trường, m/s2. Để tính hệ số trao nhiệt từ vách đến nước làm mát trong trường hợp này dùng công thức: αn= Nuλ/dtd, λ - Hệ số dẫn nhiệt của nước làm mát, W/(m.độ). 10.2.4. Ảnh hưởng rung động ống lót xi lanh đến cường độ trao đổi nhiệt Trong quá trình làm việc của động cơ áp suất khí cháy trong ống lót xi lanh công tác luôn thay đổi có tính chu kỳ với biên độ rất lớn từ hàng trăm đến hàng ngàn kPa. Cùng với lực khí cháy còn có thành phần lực quán tính do piston và các chi tiết chuyển động tịnh tiến khác gây ra, các lực quán tính này cũng luôn thay đổi cả về hướng tác dụng cũng như cường độ tác dụng có chu kỳ. Do đó ống lót xi lanh, nắp xi lanh bị rung động với tần số cao là bội số của vòng quay trục khuỷu. Khe hở nhiệt giữa piston và ống lót xi lanh là một trong các nguyên nhân gây ra va đập giữa piston và ống lót xi lanh khi piston chuyển động, gây ra rung động với tần số cao. Vì vậy ở phía ngoài ống lót xi lanh (vùng khoang nước làm mát) xảy ra hiện tượng giãn nở và nén chất lỏng làm mát, hiện tượng này tạo ra các bọt xâm thực. Hiện tượng rung động không những gây ra hiện tượng xâm thực làm giảm tuổi thọ của ống lót xi lanh mà nó còn ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt giữa ống lót xi lanh và nước làm mát. Quá trình này diễn ra phức tạp. Nước làm mát khi cấp vào động cơ có vận tốc khác nhau, do vậy tạo thành các vùng có áp suất khác nhau, tại vùng có áp suất nhỏ sẽ hình thành các bọt hơi. Các bọt hơi này lưu động cùng với nước làm mát, khi chuyển động vào vùng có áp suất cao bị vỡ ra hoặc chuyển động với tốc độ nhanh hơn. Khi chúng vỡ ra tạo thành xung va đập có áp lực lớn bắn phá bề mặt vách, gây nên các vết nứt tế vi, thẩm thấu vào bề mặt làm mát. Trong quá trình động cơ làm việc lực tác dụng của khí cháy và lực quán tính thay đổi có tính chu kỳ, đặc biệt đối với chế độ phụ tải thay đổi. Các lực này tác dụng lên vách ống lót xi lanh và thân động cơ với tần số và biên độ thay đổi theo thời gian. Do vậy, ứng suất nhiệt cũng thay đổi có tính chu kỳ. Vách ống lót xi lanh cũng như thân động cơ trong quá trình khai thác dưới tác dụng của ứng suất nhiệt coi như dầm bị ngàm luôn chịu kéo nén phụ thuộc vào tần số, biên độ dao động nhiệt độ giữa hai bề mặt vách. Trên vách ống lót xi lanh giữa các lớp vật liệu từ ngoài vào trong, giữa các vùng khác nhau chịu tác động của nhiệt độ và lực khác nhau có tính chất xung nên có ứng suất khác nhau. Sự kéo nén và biến dạng với tần số lớn làm xuất hiện các vết rạn nứt tế vi do hiện tượng mỏi. Trên bề mặt phía trong vách ống lót xi lanh dầu bôi trơn dưới tác dụng của lực khí cháy, lực ép của xéc măng-piston làm phát triển các vết rạn, những phần tử kim loại bề mặt liên kết yếu với lớp kim loại cơ sở bị bong tách ra khỏi bề mặt. Bề mặt phía ngoài, khi dòng nước lưu động các bọt nước xuất hiện bám vào các vết rạn nứt, dưới tác động áp lực, rung động, bọt khí vỡ ra với áp lực lớn góp phần phát triển các vết rạn nứt và tạo điều kiện ăn mòn xâm thực phát triển, đặc biệt là đối với động cơ làm mát trực tiếp bằng nước biển. Mức độ phá hỏng bề mặt phụ thuộc lượng không khí và lượng hơi có trong đó. Xâm thực trong 171
  20. môi trường lỏng là quá trình tạo các bọt hơi ở các vị trí của dòng chảy có áp suất giảm đến áp suất bảo hoà. Rung động ống lót xi lanh là một trong các nguyên nhân gây ra hiện tượng xâm thực mặt ngoài vách. Động cơ có mức rung động ống lót xi lanh thấp thì ít bị xâm thực. Mức độ rung động ống lót xi lanh phụ thuộc vào kết cấu và chế độ làm việc của động cơ. Như đã phân tích ở trên để giảm mức độ rung động ống lót xi lanh nhằm hạn chế hư hỏng do xâm thực thì về mặt kết cấu cần một số biện pháp sau: + Về kết cấu: tăng độ cứng của ống lót xi lanh bằng cách tăng cường mặt tựa phía ngoài của nó; giảm khối lượng của piston và các chi tiết chuyển động tịnh tiến khác để giảm thành phần lực quán tính; giảm khe hở giữa piston và ống lót xi lanh nhằm hạn chế sự va đập giữa piston và ống lót xi lanh; + Về khai thác: đảm bảo các khoang làm mát sạch; duy trì tốc độ làm mát ổn định; giảm độ cứng chu trình công tác động cơ; giữ chế độ nhiệt độ làm mát cao; đảm bảo chất lượng nước làm mát. Trong đa số các trường hợp ống lót xi lanh được chế tạo tương đối mỏng và trên động cơ nó chỉ được tựa ở hai đầu còn ở giữa là không gian làm mát. Trong điều kiện như vậy ống lót xi lanh có thể bị biến dạng khi động cơ làm việc. Biên độ rung động của ống lót xi lanh phụ thuộc vào: áp suất trong buồng đốt, các kích thước của ống lót xi lanh, đặc tính của vật liệu chế tạo ống lót xi lanh. Ngoài ra trong quá trình khai thác zoăng kín nước ống lót xi lanh bị biến dạng, nên khi làm việc biên độ rung động ống lót xi lanh tăng lên. Để đánh giá ảnh hưởng rung động đến trao đổi nhiệt giữa ống lót xi lanh và nước làm mát có thể dùng biểu thức: Nurd D 2 . n. Σ p = 1 + Crd , (10.8) Nu δ .ω n trong đó: Crd=0,425(2-μ)/(240E) - Hằng số rung động; Nu - Số Nutxel ở chế độ không rung động; D - Đường kính trong ống lót xi lanh, m; Σp - Tổng áp suất cực đại tác dụng lên vách ống lót xi lanh, kPa; δ = (Dn- D)/2- Chiều dày vách ống lót xi lanh, m; Dn - Đường kính ngoài ống lót xi lanh, m; n - Vòng quay trục khuỷu, v/ph; ωn -tốc độ dòng nước làm mát, m/s; μ - Hệ số Poát xông; E -mô đuyn đàn hồi của vật liệu ống lót xi lanh, kPa. 10.2.5. Ảnh hưởng của tốc độ, áp suất dòng nước làm mát và mật độ dòng nhiệt đến trao đổi nhiệt Trong quá trình khai thác do trạng thái kỹ thuật của bơm nước làm mát xấu đi, chất lượng làm việc của các ống lót xi lanh không đồng đều, lớp cáu cặn trên vách ống lót xi lanh dầy lên nên ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt giữa vách ống lót xi lanh với nước làm mát. Các công trình nghiên cứu cho thấy: - Khi không có hiện tượng sôi bề mặt, tốc độ của nước làm mát ảnh hưởng nhiều đến hệ số trao nhiệt và nhiệt độ vách ống lót xi lanh, khi tăng tốc độ của nước làm mát thì hệ số trao nhiệt tăng còn nhiệt độ vách ống lót xi lanh giảm và ngược lại, khi xuất hiện hiện tượng sôi bề mặt thì tốc độ của nước làm mát ảnh hưởng tới hệ số toả nhiệt cũng như nhiệt độ vách ống lót xi lanh không đáng kể; - Khi tăng áp suất nước làm mát thì giá trị hệ số trao nhiệt giảm và nhiệt độ vách ống lót xi lanh tăng, do khi áp suất tăng thì nhiệt độ sôi cũng tăng theo, vì vậy hiện tượng sôi bề mặt bắt đầu xuất hiện tại các giá trị nhiệt độ lớn trên bề mặt toả nhiệt; - Nếu mật độ dòng nhiệt càng lớn thì hệ số trao nhiệt càng lớn, nhiệt độ vách ống lót xi lanh càng lớn, do khi tăng mật độ dòng nhiệt thì nhiệt độ vách ống lót xi lanh tăng làm cho số bọt hơi xuất hiện trên một đơn vị diện tích tăng, kết quả làm cho hệ số trao nhiệt tăng. 172
ADSENSE
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2