Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong bối cảnh nền kinh tế và kỹ thuật công nghiệp tại Việt Nam từng bước phát triển, ngành cơ khí động lực và sản xuất ô tô đã đẩy mạnh liên doanh, hợp tác sản xuất và lắp ráp với nhiều hãng xe trên thế giới. Nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao trình độ chuyên môn và năng lực tự chủ công nghệ, việc đào tạo đội ngũ kỹ sư có khả năng tính toán, nghiên cứu và thiết kế động cơ đốt trong là nhiệm vụ cấp thiết. Đề tài đồ án chuyên ngành động lực được xây dựng nhằm tạo điều kiện cho sinh viên tổng hợp, vận dụng hệ thống kiến thức từ các môn học cơ sở và chuyên ngành (như Nguyên lý động cơ đốt trong, Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong, Sức bền vật liệu, Cơ lý thuyết, Vật liệu học) vào việc giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm các nội dung cụ thể:
- Xác định các thông số nhiệt động của chu trình công tác và xây dựng đồ thị công ($P-V$) cho động cơ diesel hai kỳ.
- Ứng dụng phương pháp giải tích và đồ giải kỹ thuật để xây dựng các đường đặc tính động học (đồ thị chuyển vị piston $S = f(\alpha)$, đồ thị vận tốc $V = f(\alpha)$, đồ thị gia tốc $j = f(x)$).
- Tính toán và phân tích các lực tác dụng trong cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền, bao gồm lực khí thể ($P_{kt}$), lực quán tính ($P_j$), hợp lực tác dụng lên chốt piston ($P_1$), lực dọc thanh truyền ($P_{tt}$), lực ngang ($N$), lực tiếp tuyến ($T$), lực pháp tuyến ($Z$) và tổng lực tiếp tuyến của toàn bộ động cơ ($\Sigma T - \alpha$).
- Xác định phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu, quy đổi tọa độ cực sang đồ thị phụ tải phẳng ($Q - \alpha$), phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền và xây dựng đồ thị mài mòn lý thuyết của chốt khuỷu để định vị lỗ khoan dầu bôi trơn.
- Khảo sát, phân tích đặc điểm cấu tạo thực tế và các hệ thống phụ trợ của động cơ tham khảo MAN B&W 6S50ME-B9 Tier II.
- Phân tích chi tiết kết cấu, vật liệu, phương pháp chế tạo và nguyên lý làm việc của nhóm trục khuỷu - bạc lót - bánh đà.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Động cơ đốt trong diesel (mã hiệu tính toán DV6-02) và dòng động cơ diesel tàu thủy cỡ lớn MAN B&W 6S50ME-B9 Tier II.
- Phạm vi nghiên cứu: Tính toán nhiệt động học, động học, động lực học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền của động cơ hai kỳ 6 xilanh thẳng đứng; khảo sát kết cấu cơ khí, vật liệu chế tạo và hệ thống điều khiển tự động của động cơ thực tế. Đồ án được hoàn thành tại Khoa Cơ khí Giao thông, Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng vào tháng 01 năm 2012 dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Thanh Hải Tùng.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và mô hình tính toán:
- Lý thuyết nhiệt động học động cơ đốt trong: Sử dụng các phương trình nhiệt động cho quá trình nén đa biến ($p_a \cdot V_a^{n_1} = p_c \cdot V_c^{n_1}$) và quá trình giãn nở đa biến ($p_z \cdot V_z^{n_2} = p_b \cdot V_b^{n_2}$), xác định các điểm áp suất và thể tích đặc trưng ($p_a, p_c, p_z, p_b, p_r, V_h, V_c$).
- Động học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền: Ứng dụng phương pháp đồ thị Brick để xác định quan hệ dịch chuyển của piston $x = R[(1 - \cos\alpha) + \frac{\lambda}{4}(1 - \cos 2\alpha)]$; phương pháp vòng tròn đồng tâm xác định vận tốc $v = R\omega(\frac{\lambda}{2}\sin 2\alpha + \sin\alpha)$; phương pháp Tolle giải đồ thị gia tốc $j = R\omega^2(\cos\alpha + \lambda\cos 2\alpha)$.
- Động lực học cơ cấu sinh lực: Mô hình hóa hệ lực tác dụng lên nhóm piston - thanh truyền - trục khuỷu dựa trên phép phân rã hợp lực $P_1 = P_{kt} + P_j$ thành lực ngang $N = P_1 \cdot \tan\beta$, lực tiếp tuyến $T = P_1 \cdot \frac{\sin(\alpha+\beta)}{\cos\beta}$ và lực pháp tuyến $Z = P_1 \cdot \frac{\cos(\alpha+\beta)}{\cos\beta}$.
- Lý thuyết phụ tải động và mài mòn ổ trượt: Phương pháp tổng hợp véc-tơ phụ tải $\vec{Q} = \vec{T} + \vec{Z} + \vec{P}_{Ro}$ trong hệ tọa độ cực và phân tích tích hợp lực mài mòn $\Sigma Q'$ trên cung ảnh hưởng $120^\circ$ quanh chu vi chốt khuỷu.
Phương pháp nghiên cứu thực tế:
- Phương pháp giải tích kết hợp phương pháp đồ giải cơ học kỹ thuật nhằm trực quan hóa các đại lượng biến thiên theo góc quay trục khuỷu ($\alpha$).
- Phương pháp tính toán quy dẫn khối lượng động học của nhóm thanh truyền và piston về các tâm chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay.
- Phương pháp phân tích kỹ thuật hệ thống đối với các cụm cơ cấu cơ khí và hệ thống công tác phụ trợ của động cơ đốt trong công suất lớn.
Nguồn dữ liệu:
- Bộ thông số kỹ thuật đề bài giao cho động cơ tính toán và tài liệu kỹ thuật chuyên khảo về động cơ diesel 6S50ME-B9 Tier II của hãng sản xuất MAN B&W.
Thiết kế và triển khai
Quá trình tính toán thiết kế kỹ thuật được triển khai qua các bước chuẩn hóa với hệ thống thông số đầu vào và tỉ lệ xích hình học nghiêm ngặt:
| Thông số thiết kế |
Ký hiệu |
Giá trị |
Đơn vị |
| Đường kính xilanh |
$D$ |
500 (5) |
mm (dm) |
| Hành trình piston |
$S$ |
2214 (22,14) |
mm (dm) |
| Tỷ số nén |
$\varepsilon$ |
17 |
- |
| Áp suất cực đại chu trình |
$p_z$ |
10,7 |
$\text{MN/m}^2$ |
| Áp suất môi chất nạp |
$p_k$ |
0,13 |
$\text{MN/m}^2$ |
| Áp suất khí quyển |
$p_0$ |
0,0981 |
$\text{MN/m}^2$ |
| Chỉ số nén đa biến trung bình |
$n_1$ |
1,35 |
- |
| Chỉ số giãn nở đa biến trung bình |
$n_2$ |
1,27 |
- |
| Tỷ số giãn nở sớm |
$\rho$ |
1,3 |
- |
| Tỷ số động học cơ cấu |
$\lambda = R/L_{tt}$ |
0,43 |
- |
| Khối lượng nhóm piston |
$m_{pt}$ |
1270 |
kg |
| Khối lượng nhóm thanh truyền |
$m_{tt}$ |
1380 |
kg |
| Góc phun sớm |
$\varphi_s$ |
30 |
độ |
| Góc phân phối khí ($\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3, \alpha_4$) |
- |
56, 56, 82, 72 |
độ |
Quy trình thiết lập các hệ số tỉ lệ xích đồ thị kỹ thuật:
- Tỉ lệ xích thể tích: $\mu_v = \frac{V_c}{V_{cbd}} = \frac{27,17}{10} = 2,717 \text{ dm}^3\text{/mm}$.
- Tỉ lệ xích áp suất và lực: $\mu_p = \mu_{pj} = \mu_{pkt} = \mu_T = \mu_N = \mu_Z = \mu_Q = 0,0535 \text{ MN/m}^2\text{/mm}$.
- Tỉ lệ xích hành trình: $\mu_S = \frac{S}{AB} = \frac{2214}{160} = 13,84 \text{ mm/mm} = 0,0138 \text{ m/mm}$.
- Tỉ lệ xích gia tốc: $\mu_j = 4 \text{ m/s}^2\text{/mm}$.
- Tỉ lệ xích góc quay: $\mu_\alpha = 2 \text{ độ/mm}$ (cho đồ thị chuyển vị) và $\mu_\alpha = 1 \text{ độ/mm}$ (cho đồ thị khai triển lực).
Triển khai xây dựng các điểm đặc trưng của đồ thị công:
- Xác định điểm phun sớm $c'$ ứng với góc $\varphi_s = 30^\circ$.
- Xác định điểm cuối quá trình nén $c$ ($V_c = 27,17 \text{ dm}^3$, $p_c = 5,6594 \text{ MN/m}^2$).
- Xác định điểm mở xupap thải $b$ ứng với $\alpha_3 = 82^\circ$ và điểm mở cửa quét $d$ ứng với $\alpha_1 = 56^\circ$ ($p_d \approx p_a = 0,1235 \text{ MN/m}^2$).
- Xác định điểm đóng cửa quét bắt đầu nén $a$ ứng với $\alpha_4 = 72^\circ$ ($p_a = 0,1235 \text{ MN/m}^2$).
- Xác định điểm áp suất cực đại lý thuyết $z'$ ($1,3 V_c$, $p_{z'} = 10,7 \text{ MN/m}^2$) và điểm cực đại thực tế $z''$ ($0,65 V_c$, $p_{z''} = 10,7 \text{ MN/m}^2$).
Nội dung chính theo từng chương
Phần 1: Phương pháp, tính toán xây dựng đồ thị công, động học và động lực học
Chương này tập trung toàn bộ khối lượng tính toán giải tích và dựng hình đồ giải các thông số chu trình công tác, động học và động lực học của động cơ đốt trong:
-
Tính toán nhiệt động và đồ thị công:
- Tốc độ trung bình của piston được xác định $C_m = \frac{S \cdot n}{30} = 9,37 \text{ m/s} > 9 \text{ m/s}$, xếp loại động cơ cao tốc.
- Thể tích công tác xilanh $V_h = \frac{\pi D^2}{4} \cdot S = \frac{\pi \cdot 5^2}{4} \cdot 22,14 = 434,72 \text{ dm}^3$; thể tích buồng cháy $V_c = \frac{V_h}{\varepsilon - 1} = \frac{434,72}{17 - 1} = 27,17 \text{ dm}^3$.
- Áp suất cuối kỳ nạp $p_a = 0,95 \cdot p_k = 0,95 \cdot 0,13 = 0,1235 \text{ MN/m}^2$. Áp suất cuối quá trình nén $p_c = p_a \cdot \varepsilon^{n_1} = 0,1235 \cdot 17^{1,35} = 5,6594 \text{ MN/m}^2$. Áp suất cuối quá trình giãn nở $p_b = \frac{p_z}{(\varepsilon/\rho)^{n_2}} = \frac{10,7}{(17/1,3)^{1,27}} = 0,4087 \text{ MN/m}^2$.
- Thiết lập phương trình đường nén $p_{nx} = \frac{p_c}{i^{n_1}}$ và đường giãn nở $p_{gnx} = \frac{p_z \cdot \rho^{n_2}}{i^{n_2}}$ với $i = \frac{V_x}{V_c}$.
-
Động học piston:
- Xây dựng đồ thị dịch chuyển $S = f(\alpha)$ bằng đồ thị Brick với tâm dịch đoạn $oo' = \frac{R\lambda}{2} = \frac{2214 \cdot 0,43}{4} = 238 \text{ mm}$ (biểu diễn trên bản vẽ $oo'_{bd} = 17,2 \text{ mm}$).
- Xây dựng đồ thị vận tốc $V = f(\alpha)$ qua hai đường tròn bán kính $R_1 = 80 \text{ mm}$ và $R_2 = 17,2 \text{ mm}$.
- Xây dựng đồ thị gia tốc $j = f(x)$ bằng phương pháp Tolle với các giá trị biên: $j_{max} = R\omega^2(1+\lambda) = 280 \text{ m/s}^2$ ($j_{max,bd} = 70 \text{ mm}$), $j_{min} = -111,6 \text{ m/s}^2$ ($j_{min,bd} = -27,9 \text{ mm}$).
-
Động lực học và phân tích lực:
- Khối lượng chuyển động tịnh tiến quy dẫn $m' = m_{pt} + m_1 = 1270 + 0,3 \cdot 1380 = 1684 \text{ kg}$. Lực quán tính cực đại quy đổi trên đơn vị diện tích đỉnh piston đạt $-P_{jmax,bd} = 44,86 \text{ mm}$ (tương ứng $2,4 \text{ MN/m}^2$) và $-P_{jmin,bd} = -17,9 \text{ mm}$ (tương ứng $-0,96 \text{ MN/m}^2$).
- Khai triển các đường cong áp suất khí thể $P_{kt} - \alpha$, lực quán tính $P_j - \alpha$ và hợp lực $P_1 - \alpha$.
- Tính toán phân rã thành phần lực $T, Z, N$ theo từng góc quay $\alpha$ từ $0^\circ$ đến $360^\circ$ (bước chia $5^\circ$).
| Góc $\alpha$ (độ) |
$P_1$ (mm) |
Góc $\beta$ (độ) |
$T$ (mm) |
$Z$ (mm) |
$N$ (mm) |
| 0 |
91 |
0 |
0 |
91 |
0 |
| 30 |
47,5 |
12,42 |
32,81 |
35,91 |
10,46 |
| 60 |
17 |
21,86 |
18,13 |
2,59 |
6,82 |
| 90 |
25,5 |
25,47 |
25,5 |
-12,15 |
12,15 |
| 120 |
23 |
21,86 |
15,3 |
-19,49 |
9,23 |
| 150 |
20 |
12,42 |
6,4 |
-20,21 |
4,56 |
| 180 |
17,5 |
0 |
0 |
-17,5 |
0 |
| 240 |
23,5 |
-21,86 |
-15,64 |
-19,92 |
-9,43 |
| 300 |
-1 |
-21,86 |
1,07 |
-0,15 |
0,4 |
| 360 |
91 |
0 |
0 |
91 |
0 |
- Tổng lực tiếp tuyến $\Sigma T$ và phụ tải chốt khuỷu:
- Động cơ hai kỳ 6 xilanh có góc lệch công tác $\delta_{ct} = \frac{180 \cdot \tau}{i} = \frac{180 \cdot 2}{6} = 60^\circ$, thứ tự làm việc của các xilanh: 1-5-3-6-2-4.
- Giá trị tổng lực tiếp tuyến trung bình xác định được: $\Sigma T_{tb} = 40,79 \text{ mm}$.
- Khối lượng quy về đầu to thanh truyền sinh ra lực quán tính ly tâm $P_{Ro} = 0,963 \text{ MN/m}^2$, tương ứng đoạn dời gốc tọa độ $O'O = 18 \text{ mm}$.
- Khai triển đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu sang hệ phẳng $Q - \alpha$, xác định phụ tải trung bình $Q_{tb} = 40,3 \text{ mm}$ (tương ứng $2,156 \text{ MN/m}^2$).
- Dựng đồ thị mài mòn chốt khuỷu dựa trên tích phân lực tác dụng $\Sigma Q'$ trên 24 điểm chia với góc ảnh hưởng quy ước $120^\circ$.
Phần 2: Phân tích đặc điểm chung của động cơ chọn tham khảo
Chương này trình bày toàn diện thông số kỹ thuật, cấu trúc cơ khí và các hệ thống phụ trợ của động cơ tàu thủy MAN B&W 6S50ME-B9 Tier II:
| Thông số |
Giá trị kỹ thuật |
| Kiểu loại động cơ |
Diesel 2 kỳ, 6 xilanh thẳng đứng, tăng áp tuabin khí |
| Đường kính $\times$ Hành trình piston |
$500 \text{ mm} \times 2214 \text{ mm}$ (Tỷ số $S/D = 4,428 \ge 4$) |
| Công suất cực đại ($N_e$) |
$10680 \text{ kW}$ tại số vòng quay $n = 117 \text{ vòng/phút}$ |
| Vận tốc trung bình piston ($C_m$) |
$8,63 \text{ m/s}$ |
| Khối lượng toàn bộ động cơ |
225 tấn |
| Áp suất hiệu dụng trung bình (MEP) |
21 bar |
| Suất tiêu hao nhiên liệu ($g_e$) |
$170 \text{ g/kWh}$ (tại 100% tải); $166 \text{ g/kWh}$ (tại 80% tải) |
| Kích thước bao chính |
$L=6865\text{ mm}; A=9315\text{ mm}; B=8130\text{ mm}; H_1=10185\text{ mm}$ |
Ý nghĩa ký hiệu động cơ MAN B&W 6S50ME-B9:
6: Số lượng xilanh công tác.S: Thiết kế hành trình siêu dài (Super long stroke, tỷ lệ $S/D \ge 4$).50: Đường kính danh nghĩa của xilanh ($50\text{ cm} = 500\text{ mm}$).M: Chương trình định danh động cơ của hãng.E: Hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử (Electronic control).B: Van xả điều khiển thông qua trục cam (Camshaft controlled exhaust valve).9: Thế hệ thiết kế/phiên bản chế tạo thứ 9.
Cấu tạo các cụm chi tiết chính và hệ thống phụ trợ:
- Nhóm Piston: Đỉnh piston dạng lõm chế tạo bằng thép chịu nhiệt nhằm tạo xoáy lốc dòng khí nạp; đầu piston bố trí 4 rãnh lắp xecmăng được mạ crom bảo vệ chống mòn (xecmăng số 2, 3, 4 vát miệng $45^\circ$ bố trí lệch nhau); thân piston dẫn hướng chế tạo rời liên kết với đầu piston bằng bulông; cán piston chế tạo bằng thép cacbon rỗng bên trong dẫn dầu làm mát tuần hoàn.
- Nhóm Thanh truyền: Thanh truyền rèn từ thép cacbon, thân rỗng giảm trọng lượng và dẫn dầu; đầu to và đầu nhỏ có nắp chế tạo rời định vị bằng bulông; bạc lót hai nửa có rãnh cấp dầu từ đường dầu chính thân máy.
- Cơ cấu phân phối khí: Hệ thống phối khí hỗn hợp gồm cửa quét bố trí tiếp tuyến quanh chu vi xilanh và xupap thải đặt trên nắp máy; xupap thải mở bằng hệ thống thủy lực chấp hành nhận tín hiệu điều khiển từ trục cam ghép dẫn động bằng xích từ trục khuỷu.
- Hệ thống nhiên liệu: Điều khiển điện tử độc lập với tốc độ động cơ qua van tỷ lệ ELFI và cụm xilanh kép HCU (Dual Hydraulic Cylinder Unit); sử dụng nhiên liệu dầu diesel hàng hải MDO (chuẩn ISO 8217 Class DMB, BS 6843 Class DMB) hoặc dầu nhiên liệu nặng HFO kết hợp bình sấy nóng, bộ tách khí và lọc tạp chất.
- Hệ thống bôi trơn: Hệ thống cacte khô; trang bị van hằng nhiệt đóng chuyển hướng dầu qua bình làm mát khi nhiệt độ vượt quá $45^\circ\text{C}$; sử dụng các dòng dầu chuyên dụng (BP Energol OE-HT 30, Castrol CDX30, Veritas 800 Marine 30, Mobilgard 300, Shell Melina 30, Total Atlanta Marine D 3005).
- Hệ thống làm mát: Khảo sát hệ thống làm mát trung tâm hai vòng tuần hoàn (vòng ngoài dùng nước biển làm mát bộ trao đổi nhiệt trung tâm; vòng trong dùng nước ngọt đi làm mát dầu bôi trơn, áo bao xilanh và khí quét nạp).
- Hệ thống nạp và khởi động: Hệ thống nạp tăng áp tuabin khí tận dụng năng lượng khí xả qua bộ làm mát khí nạp và bẫy tách nước; Hệ thống khởi động sử dụng khí nén từ máy nén nạp vào hai bình chứa áp suất $30\text{ bar}$, phân phối qua 3 nhánh (nhánh $10\text{ bar}$ làm sạch tuabin và thử van; nhánh $7\text{ bar}$ điều khiển van khởi động và dừng khẩn cấp; nhánh $30\text{ bar}$ cấp trực tiếp vào xilanh ở đầu kỳ cháy giãn nở).
Phần 3: Phân tích đặc điểm kết cấu và nguyên lý làm việc của nhóm trục khuỷu - bạc lót - bánh đà
Chương này đi sâu vào phân tích cơ sở kết cấu và chế tạo cụm trục khuỷu của động cơ:
- Nhiệm vụ và điều kiện làm việc: Trục khuỷu tiếp nhận toàn bộ lực khí thể truyền từ piston qua thanh truyền để tạo momen quay truyền ra ngoài; làm việc trong điều kiện chịu tải trọng va đập mạnh, dao động xoắn, uốn phức tạp và ma sát mài mòn lớn ở các bề mặt cổ trục và chốt khuỷu.
- Yêu cầu kỹ thuật: Đảm bảo độ cứng vững, độ bền mỏi cao, khối lượng tối ưu; tính cân bằng động lực học cao để tránh cộng hưởng trong dải tốc độ khai thác; độ chính xác gia công hình học bề mặt cao.
- Vật liệu và phương pháp chế tạo: Trục khuỷu được chế tạo bằng thép cacbon có hàm lượng cacbon trong khoảng (40 - 50)% bằng phương pháp rèn khuôn (dập thể tích); các bề mặt làm việc của cổ trục và chốt khuỷu được tôi cứng bề mặt nhằm tăng khả năng chống mài mòn cơ học.
- Đặc điểm kết cấu: Trục khuỷu ghép dạng đủ cổ; bên trong thân các má khuỷu và cổ trục có khoan hệ thống lỗ dẫn dầu bôi trơn cưỡng bức; đuôi trục khuỷu bố trí mặt bích lắp ghép bánh đà và bánh xích dẫn động truyền động trục cam; đầu trục khuỷu lắp puly dẫn động.
Kết quả và đóng góp
Kết quả tính toán định lượng chính thu được từ đồ án:
- Chu trình nhiệt động: Xác định chính xác thể tích buồng cháy $V_c = 27,17 \text{ dm}^3$, thể tích công tác $V_h = 434,72 \text{ dm}^3$, áp suất nén $p_c = 5,6594 \text{ MN/m}^2$, áp suất giãn nở $p_b = 0,4087 \text{ MN/m}^2$.
- Cực trị động học và động lực học: Gia tốc cực đại $j_{max} = 280 \text{ m/s}^2$, gia tốc cực tiểu $j_{min} = -111,6 \text{ m/s}^2$; lực quán tính cực đại quy đổi diện tích $P_{jmax} = 2,4 \text{ MN/m}^2$, $P_{jmin} = -0,96 \text{ MN/m}^2$; lực tiếp tuyến trung bình $\Sigma T_{tb} = 40,79 \text{ mm}$; lực quán tính ly tâm đầu to thanh truyền $P_{Ro} = 0,963 \text{ MN/m}^2$; phụ tải trung bình chốt khuỷu $Q_{tb} = 40,3 \text{ mm}$.
Giải pháp và đề xuất kỹ thuật của tác giả:
- Dựa trên đồ thị mài mòn chốt khuỷu lý thuyết, đề tài đã chỉ ra phương pháp xác định chính xác vị trí chịu phụ tải và độ mài mòn nhỏ nhất trên bề mặt chốt khuỷu để tiến hành khoan lỗ cấp dầu bôi trơn, tránh làm suy giảm độ bền kết cấu và giảm thiểu sự phá hủy màng dầu thủy động.
- Khẳng định tính ưu việt của việc ứng dụng hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử kết hợp xupap xả điều khiển thủy lực trên động cơ hai kỳ nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt, tiết kiệm nhiên liệu ($g_e = 166 - 170 \text{ g/kWh}$) và kiểm soát áp suất hiệu dụng trung bình ở mức cao (21 bar).
Đóng góp của đồ án:
- Hệ thống hóa đầy đủ và chuẩn xác chuỗi phương pháp tính toán từ nhiệt động học, động học (Brick, Tolle) đến động lực học hệ thống trục khuỷu - thanh truyền cho động cơ đốt trong nhiều xilanh.
- Cung cấp tài liệu phân tích kỹ thuật chi tiết về cấu trúc cơ khí và sơ đồ nguyên lý của các hệ thống tự động hóa điều khiển điện tử - thủy lực trên dòng động cơ diesel tàu thủy hiện đại MAN B&W 6S50ME-B9 Tier II.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của nghiên cứu:
- Quá trình tính toán động lực học và mài mòn chủ yếu sử dụng các giả thiết truyền thống trong cơ học động cơ (giả thiết mài mòn tỷ lệ thuận với lực tác dụng trong góc quét $120^\circ$, khối lượng quy dẫn tập trung tại các điểm nút) mà chưa xét đến biến dạng đàn hồi thực tế của trục khuỷu và thân máy dưới tải trọng động.
- Do phạm vi tài liệu văn bản, nội dung tính toán kiểm nghiệm bền chuyên sâu cho bạc lót và bánh đà ở Phần 3 chưa được thể hiện trọn vẹn số liệu thực nghiệm.
Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:
- Ứng dụng các phương pháp mô phỏng số hiện đại như phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để tính toán độ bền mỏi, phân bố ứng suất nhiệt và ứng suất cơ học trên các vùng chuyển tiếp của má khuỷu và chốt khuỷu.
- Xây dựng mô hình mô phỏng động lực học chất lưu (CFD) cho quá trình quét khí và hòa trộn phun nhiên liệu điện tử trong buồng cháy động cơ diesel 2 kỳ.
Giá trị tham khảo
Đồ án là nguồn tài liệu chuyên môn có giá trị thực tiễn và học thuật cho:
- Sinh viên và học viên cao học các ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Tàu thủy, Khai thác Máy tàu biển tham khảo phương pháp và trình tự thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về tính toán thiết kế động cơ đốt trong.
- Giảng viên và kỹ sư thiết kế cơ khí động lực cần bảng mẫu tra cứu các công thức giải tích, phương pháp dựng đồ thị Brick, đồ thị Tolle, phương pháp khai triển lực $P_1, T, Z, N, \Sigma T$ và quy trình dựng đồ thị cực phụ tải chốt khuỷu.
- Cán bộ kỹ thuật vận hành máy tàu tham khảo tài liệu phân tích hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử ME, hệ thống phân phối khí thủy lực và hệ thống khởi động khí nén của dòng động cơ MAN B&W 6S50ME-B9 Tier II.
Câu hỏi thường gặp
1. Động cơ tham khảo MAN B&W 6S50ME-B9 Tier II có các thông số công suất, kích thước xilanh và suất tiêu thụ nhiên liệu như thế nào?
Động cơ có công suất cực đại $N_e = 10680 \text{ kW}$ tại tốc độ quay $n = 117 \text{ vòng/phút}$, đường kính xilanh $D = 500 \text{ mm}$, hành trình piston $S = 2214 \text{ mm}$ (tỷ số $S/D = 4,428$), khối lượng 225 tấn, áp suất hiệu dụng trung bình $\text{MEP} = 21 \text{ bar}$. Suất tiêu hao nhiên liệu đạt $170 \text{ g/kWh}$ ở chế độ 100% tải và $166 \text{ g/kWh}$ ở chế độ 80% tải.
2. Trong bài toán động lực học, khối lượng chuyển động tịnh tiến quy dẫn $m'$ và lực quán tính ly tâm $P_{Ro}$ được tính toán bằng bao nhiêu?
Khối lượng nhóm piston $m_{pt} = 1270 \text{ kg}$, khối lượng thanh truyền $m_{tt} = 1380 \text{ kg}$ (lấy $30%$ quy về đầu nhỏ $m_1 = 414 \text{ kg}$), tổng khối lượng tịnh tiến $m' = 1684 \text{ kg}$. Lực quán tính ly tâm của khối lượng đầu to thanh truyền quy đổi trên một đơn vị diện tích đỉnh piston tính được là $P_{Ro} = 0,963 \text{ MN/m}^2$ (biểu diễn trên bản vẽ đoạn dời gốc tọa độ $O'O = 18 \text{ mm}$).
3. Ký hiệu phân loại của động cơ MAN B&W 6S50ME-B9 biểu thị những đặc điểm kỹ thuật nào?
Ký hiệu gồm: 6 là số xilanh; S là động cơ hành trình siêu dài ($S/D \ge 4$); 50 là đường kính piston ($50 \text{ cm}$); M là chương trình định danh động cơ; E là hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử; B là van xả điều khiển thông qua trục cam ghép; 9 là thế hệ phiên bản thiết kế thứ 9.
4. Hệ thống phân phối khí và hệ thống khởi động của động cơ 6S50ME-B9 hoạt động theo nguyên lý nào?
Hệ thống phân phối khí sử dụng cơ cấu hỗn hợp: nạp khí quét qua các cửa nạp quanh chu vi xilanh khi piston đi xuống và xả khí qua xupap đặt trên nắp máy điều khiển bằng bộ truyền động thủy lực từ trục cam ghép. Hệ thống khởi động sử dụng khí nén áp suất $30 \text{ bar}$ nạp trực tiếp vào xilanh ở đầu kỳ cháy giãn nở để đẩy piston sinh công khởi động ban đầu.
5. Mục đích chính của việc xây dựng đồ thị phụ tải chốt khuỷu và đồ thị mài mòn chốt khuỷu là gì?
Mục đích là xác định độ lớn, chiều và điểm đặt của hợp lực tác dụng lên chốt khuỷu tại mọi góc quay $\alpha$, tìm ra giá trị phụ tải lớn nhất, nhỏ nhất và phụ tải trung bình ($Q_{tb} = 40,3 \text{ mm}$). Từ đó, đồ thị mài mòn cho phép xác định chính xác vị trí trên chu vi chốt khuỷu chịu mài mòn ít nhất để bố trí lỗ khoan dẫn dầu bôi trơn.
Kết luận
Đồ án "Tính toán thiết kế động cơ đốt trong" do sinh viên thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Thanh Hải Tùng đã hoàn thành xuất sắc các nội dung tính toán nhiệt động học, động học và động lực học cho cơ cấu sinh lực động cơ diesel hai kỳ 6 xilanh. Đề tài đã vận dụng thành công các phương pháp đồ giải kinh điển như đồ thị Brick, đồ thị Tolle, phân tích hệ lực $P_1, T, Z, N, \Sigma T$ và xây dựng đồ thị phân bố mài mòn chốt khuỷu nhằm tối ưu hóa vị trí bôi trơn. Đồng thời, công trình cung cấp hệ thống dữ liệu kỹ thuật và phân tích cấu tạo chuyên sâu, chuẩn xác về dòng động cơ diesel tàu thủy hiện đại MAN B&W 6S50ME-B9 Tier II, mang lại giá trị tham khảo học thuật và thực tiễn cao cho sinh viên và kỹ sư ngành cơ khí động lực.
