tìm hiểu về động cơ diesel tàu thủy

Chơng 1
Tự động điều chỉnh tốc độ quay của động cơ Điêzel tàu thủy
Đ1.

!"

Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:
- Giải thích đợc lý do tại sao phải tự động điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điêzel tàu thủy
- Vẽ đợc sơ đồ thể hiện mối quan hệ giữa động cơ, bộ điều tốc trong hai trờng hợp bộ điều
tốc hoạt động trực tiếp và gián tiếp
1.1. Nguyên nhân phải tự động điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điêzel tàu thuỷ
Trên tàu thuỷ động cơ điêzel đợc trang bị để lai chân vịt, lai máy phát điện, lai các thiết
bị phục vụ nh bơm, máy nén khí Động cơ điêzel khi hoạt động với các phụ tải loại này
có các đặc điểm nh sau:
Động cơ dẫn động máy phát điện: Phụ tải điện (mô tơ điện lai các bơm, máy lái,
máy nén, tời cẩu, các thiết bị chiếu sáng, thiết bị hàng hải ) thờng xuyên thay đổi
Động cơ dẫn động chân vịt: Điều kiện khai thác (manơ, điều động, trạng thái vỏ
tàu, chân vịt, ), điều kiện hành hải (sóng, gió, thời tiết, ) thờng xuyên thay đổi
Do đó năng lợng tiêu thụ (phụ tải của động cơ) thờng xuyên thay đổi, dẫn đến vòng
quay của động cơ bị dao động nếu giữ nguyên đặc tính cấp năng lợng (giữ nguyên
tay ga của động cơ)
#$%&'(%)
Tần số dòng điện của lới bị thay đổi làm ảnh hởng tới chế độ làm việc và tuổi
thọ của các thiết bị điện
Dễ dẫn tới tình trạng động cơ bị quá tải về vòng quay hoặc động cơ bị dừng đột
ngột => không an toàn
Vì vậy yêu cầu đặt ra là phải điều chỉnh năng lợng cấp (điều chỉnh tay ga để thay đổi l-
1

Động cơ
Diesel

bơm
cao áp

g

Bộ điều
chỉnh

Phụ tải

n

n
p

n

n
đ

z

h

Đối tợng điều chỉnh

ợng nhiên liệu cấp) cho phù hợp với năng lợng tiêu thụ (phụ tải của động cơ). Để thực
hiện yêu cầu này có hai biện pháp:

Điều chỉnh bằng tay: Do ngời khai thác thực hiện bằng cách điều chỉnh trực tiếp
tay ga (tay điều chỉnh nhiên liệu). Nhợc điểm của biện pháp này là độ chính xác
và tin cậy không cao mặc dù đòi hỏi nhiều công sức và trong nhiều trờng hợp
không thể thực hiện đợc
Điều chỉnh tự động: Sử dụng bộ điều chỉnh tốc độ quay (bộ điều tốc) để giữ vòng
quay của động cơ luôn ổn định ở một giá trị đặt trớc. u điểm của biện pháp này là
độ chính xác và tin cậy cao, đòi hỏi ít công sức của ngời khai thác
Nh vậy việc trang bị một thiết bị tự động nhằm duy trì ổn định vòng quay của động cơ là
cần thiết. Thiết bị tự động làm nhiệm vụ duy trì ổn định vòng quay của động cơ có thể đợc
gọi là bộ điều chỉnh tốc độ quay, bộ điều chỉnh vòng quay hay ngắn gọn là bộ điều tốc.
1.2. Sơ đồ khối hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay động cơ điêzel tàu thuỷ
Hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điêzel có thể là hệ thống hoạt
động trực tiếp (không sử dụng động cơ trợ động - sơ đồ khối nh hình 1.1) hoặc là hệ
thống hoạt động gián tiếp (có sử dụng động cơ trợ động - sơ đồ khối nh hình 1.2).
Hình 1.1: Hệ thống tự động điều chỉnh vòng quay hoạt động trực tiếp
n là tín hiệu độ lệch về vòng quay của động cơ,
n
đ
là tín hiệu cảm biến vòng quay đa tới bộ điều chỉnh, đối với bộ điều chỉnh có phần
tử cảm biến vòng quay kiểu cơ học tín hiệu này là tín hiệu cơ học tỷ lệ với vòng quay
của động cơ - do động cơ dẫn động bộ điều chỉnh qua cơ cấu bánh răng truyền động;
đối với bộ điều chỉnh vòng quay có phần tử cảm biến vòng quay kiểu điện, điện tử tín
hiệu này là tín hiệu điện có độ lớn tỷ lệ với vòng quay của động cơ,
2

Động cơ
Diesel


bơm

cao áp

g

thiết bị
điều chỉnh

Phụ tải

n

n
p

y

z

h

động cơ
trợ động

x

Đối tợng điều chỉnh

Bộ điều chỉnh

n

n
đ

z là tín hiệu ra của bộ điều chỉnh - tín hiệu điều chỉnh, chính là dịch chuyển của trục ra
của bộ điều chỉnh,
h là dịch chuyển của thanh răng bơm cao áp (thanh răng nhiên liệu) do tác động của bộ
điều chỉnh để làm thay đổi lợng nhiên liệu cấp vào động cơ nhằm duy trì ổn định vòng quay,
g là sự thay đổi lợng nhiên liệu cấp vào động cơ do sự thay đổi vị trí thanh răng,
n
p
là sự thay đổi vòng quay của trục cam bơm cao áp. Khi vòng quay của động cơ thay
đổi thì vòng quay của bơm cao áp cũng thay đổi,
Hình 1.2: Hệ thống tự động điều chỉnh vòng quay hoạt động gián tiếp
Hệ thống tự động điều chỉnh vòng quay hoạt động gián tiếp có thêm động cơ trợ động
để khuếch đại, làm tăng công suất của tín hiệu điều chỉnh.
x là tín hiệu vào động cơ trợ động,
y là tín hiệu ra của động cơ trợ động, đợc khuếch đại từ x,
3
động cơ
diesel
h
N
pt

(n)
Hình 2.1: Mô hình đơn giản của động cơ diesel
Đ*+,)-
!"

Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:
- Thành lập đợc phơng trình động của động cơ điêzel
- Phân tích đợc mối quan hệ giữa các thông số trong phơng trình động
- Giải thích đợc đặc tính thay đổi tốc độ quay của động cơ trong các trờng hợp:
có sự thay đổi đột ngột nhiên liệu, phụ tải không thay đổi (đặc tính thay đổi tốc độ)
nhiễu phụ tải xuất hiện rồi biến mất, lợng nhiên liệu cấp không thay đổi (đặc tính tự ổn định)
2.1. Xây dựng phơng trình động của động cơ điêzel
Động cơ điêzel là thiết bị năng lợng có năng lợng cấp vào do nhiên liệu bị đốt cháy sinh
ra, năng lợng này đợc truyền xuống trục khuỷu làm quay trục tạo ra mô men động M
d
.
Năng lợng tiêu thụ là mô men cản M
pt
do phụ tải tạo ra (có thể là chân vịt, máy phát
điện, bơm, tời ). Có thể mô hình hoá động cơ điêzel một cách đơn giản nh sơ đồ hình
2.1.
h: vị trí thanh răng bơm cao áp, biểu thị năng lợng cấp vào.
N
pt
: công suất cản của phụ tải biểu thị năng lợng tiêu thụ.
(n): vận tốc góc của trục động cơ (vòng quay).
Phơng trình cân bằng mô men cho động cơ:

tptkdd
MMMM
dt
d
J +=

2.1

Trong đó:
J: mô men quán tính của các chi tiết chuyển động quay so với đờng tâm trục khuỷu (kG.m
2
),
: vận tốc góc của trục khuỷu của động cơ (rad/s),
4
M
d
: mô men động do khí cháy sinh ra (kG.m),
M
kd
: mô men quay tạo ra bởi không khí nén khởi động (kG.m),
M
ms
: mô men cản ma sát (kG.m),
M
pt
: mô men cản của phụ tải (kG.m),
Phơng trình cân bằng mô men khi động cơ không mang tải:
td
MM
dt
d
J =

2.2
Phơng trình cân bằng mô men khi động cơ mang tải:
ptdtptd
MMMMM
dt

d
J =

do M
ms
<< M
pt
2.3
ở trạng thái cân bằng tĩnh O tốc độ góc của trục khuỷu không thay đổi (
dt
d
./)thì M
d
0
= M
pt
0
Giả sử ở trạng thái động vận tốc góc thay đổi một lợng tơng ứng với thay đổi vị trí
thanh răng bơm cao áp h và công suất cản của phụ tải N
pt
.
Mô men động M
d
phụ thuộc vào hai thông số chính là vận tốc góc của trục khuỷu và vị trí
thanh răng bơm cao áp, nó có thể đợc biểu thị là hàm của hai thông số này: M
d
= M
d
(,h).
Mô men cản M

pt
phụ thuộc vào hai thông số chính là công suất của phụ tải và vận tốc góc
của trục khuỷu, nó có thể đợc biểu thị là hàm của hai thông số này: M
pt
= M
pt
(,N
pt
).
Tuyến tính hoá các hàm này bằng khai triển Taylor:

!2
h
h
M
!1
h
h
M

!2
M
!1
M
MM
2
o
2
d
2

o
d
2
o
2
d
2
o
d
dod
+



+



++



+



+=

!2
N

N
M
!1
N
N
M

!2
M
!1
M
MM
2
pt
o
2
pt
pt
2
pt
o
pt
pt
2
o
2
pt
2
o
pt

ptopt
+



+



++



+



+=
Bỏ qua các đạo hàm bậc cao (các vô cùng bé) và thay vào phơng trình cân bằng mô men 2.3:
=

dt
d
J
!1
M
o
d

1
!1
h
h
M
o
d



2
!1
M
o
pt



2
!1
N
N
M
pt
o
pt
pt

=

dt
d
J



o
d
M
2



o
pt
M
1
h
h
M
o
d



2

pt
o
pt
pt
N
N
M



5

dt
d
J

1
=
ữ










o

d
o
pt
M
M

h
h
M
o
d



2
pt
o
pt
pt
N
N
M



Giả sử giá trị các thông số của động cơ ở chế độ định mức là
n
, h
n
, N

pt

, khử thứ
nguyên bằng cáchchia các đại lợng ở cả hai vế của phơng trình cho h
n
, nhân các số hạng
ở vế trái với
n
n


, số hạng thứ hai ở vế phải với
ptn
ptn
N
N
đợc:
dt
d
h
J
nn
n


1
=


ữ

n
o
d
o
pt
n
n
M
M
h
n
o
d
h
h
h
M

2
ptn
pt
o
pt
pt
n
ptn
N
N
N
M
h
N


2.4
Đặt =
n


: đại lợng không thứ nguyên, đặc trng cho giá trị độ lệch tơng đối của vận tốc góc,
=
n
h
h
: đại lợng không thứ nguyên, biểu thị độ dịch chuyển (sự thay đổi vị trí) tơng
đối của thanh răng bơm cao áp,
f =
ptn

pt
N
N
: đại lợng không thứ nguyên, biểu thị sự thay đổi tơng đối của công suất cản
của phụ tải,
T
đ
=
o
d
n
n
h
M
h
J



: hằng số thời gian, biểu thị thời gian tăng tốc của động cơ
K
đ
=
n
n
h

o
d
od

h
M
F


: hệ số tự chỉnh, F
ôđ
=
ữ










o
d
o
pt
M
M
: hệ số tự ổn định, đặc trng
cho khả năng tự ổn định vòng quay của động cơ,
K
pt
=

o
d
o
pt
pt
n
ptn
h
M
N
M
h
N




: hệ số biểu thị sự ảnh hởng của phụ tải.
Thay vào 2.4 ta có phơng trình:
6

f.K.K
dt
d
.T
pt
=+

2.5
Phơng trình 2.5 đợc gọi là phơng trình động của động cơ điêzel.

Quan hệ giữa các thông số của động cơ và các hệ số của phơng trình động:
Hằng số thời gian T
đ
phụ thuộc vào mô men quán tính J và tỉ số giữa vận tốc góc định
mức và trị số thanh răng định mức
n
n
h

tức là với động cơ thấp tốc, chi tiết chuyển động
quay có quán tính lớn thì T
đ
lớn.
Hệ số tự chỉnh K
đ
phụ thuộc vào F
ôđ
và
n
n
h

3nếu K
đ
> 0 thì động cơ có khả năng tự ổn
định còn nếu K
đ
< 0 thì động cơ không có khả năng tự ổn định, tính chất này sẽ đợc đề
cập kỹ hơn ở phần sau.
K

pt
phụ thuộc vào
ptn
n
N
h
là tỉ số giữa công suất cản của phụ tải ở chế độ định mức và trị
số thanh răng nhiên liệu định mức, nghĩa là phụ thuộc vào đặc điểm của phụ tải và của
hệ thống nhiên liệu.
2.2. Khảo sát đặc tính động học của động cơ điêzel
2.2.1. Đặc tính thay đổi tốc độ quay của động cơ khi thay đổi đột ngột lợng cấp nhiên
liệu, công suất của phụ tải không thay đổi
Lúc này phơng trình 2.5 có thể viết thành 4

+
dt
d
1

+.
Khi thay đổi đột ngột lợng cấp nhiên liệu (thay đổi tay ga/thanh răng), có thể coi tín hiệu vào
là một hàm đột biến đơn vị 1(t). Vì vậy khảo sát phơng trình vi phân:
4

+
dt
d
1

+.567 2.6

sẽ thấy đợc phản ứng của động cơ (đặc tính thay đổi vòng quay).
Tìm nghiệm của phơng trình 2.6:
Giải phơng trình vi phân thuần nhất:
4

+
dt
d
1

+./
d
d
K
T
+
dt
d
1./
7
,
0
t
T
đ

1(t)
Hình 2.2: Đặc tính thay đổi tốc độ của động cơ
Đặt 4.
d

d
K
T
phơng trình trở thành4+
dt
d
1./
Phơng trình đặc tính 4815./ có nghiệm 8.2
T
1
phơng trình vi phân thuần nhất có
nghiệm tổng quát

.9+
T
t
e

.
Nghiệm riêng của phơng trình vi phân 2.5 là
)
.
d
K
1
Nghiệm tổng quát của 2.5 là .
d
K
1
19+

T
t
e

Với điều kiện ban đầu
607
./ có 9.2
d
K
1
, đặt .
d
K
1
ta có:
= 652
T
t
e

7
Xây dựng đờng cong đặc tính thay đổi tốc độ (thờng đợc gọi là đặc tính tăng tốc)
Từ nghiệm của phơng trình vi phân xây dựng đờng cong biểu thị sự thay đổi tốc độ quay
khi tín hiệu vào (lợng nhiên liệu cấp) là hàm bớc nhảy đơn vị. Đờng cong này có dạng
nh hình 2.2.
Đờng cong biểu thị đặc tính thay đổi vòng quay của động cơ khi thay đổi đột ngột lợng
cấp nhiên liệu còn hay đợc gọi là đặc tính tăng tốc của động cơ. độ dốc của đờng đặc tính
thay đổi tốc độ phụ thuộc vào hằng số thời gian T
đ
, T

đ
nhỏ thì thời gian phản ứng của
động cơ ngắn (vòng quay của động cơ nhanh đạt tới vòng quay tơng ứng với lợng cấp
nhiên liệu mới) và ngợc lại. T
đ
đợc gọi là thời gian thay đổi tốc độ của động cơ.
8
Trên thực tế tồn tại thời gian trễ (thời gian tính từ khi có sự thay đổi đột ngột tay ga
cho tới khi động cơ bắt đầu có phản ứng (vòng quay của động cơ bắt đầu thay đổi).
Đặc tính thay đổi tốc độ và thời gian trễ của động cơ thay đổi theo tình trạng kỹ thuật
của hệ động lực.
Với động cơ hoạt động độc lập, khi tình trạng kỹ thuật của động cơ kém đi, nếu cứ giữ
nguyên quy luật thay đổi nhiên liệu (thời gian điều chỉnh) của bộ điều tốc nh khi động
cơ còn mới sẽ dẫn tới sự hoạt động không ổn định của hệ thống động cơ - bộ điều tốc.
Với động cơ hoạt động song song, nếu đặc tính thay đổi tốc độ của các động cơ không
giống nhau quá trình làm việc đồng bộ sẽ bị ảnh hởng xấu.
Vì vậy phải hiệu chỉnh lại bộ điều tốc cho phù hợp với tình trạng kỹ thuật của động cơ.
2.2.2. Đặc tính thay đổi tốc độ quay của động cơ khi không thay đổi lợng cấp nhiên
liệu vào động cơ, nhiễu phụ tải xuất hiện rồi biến mất
Phơng trình động của động cơ trong trờng hợp này có thể viết nh sau:
T
đ
.
dt
d
+ K
đ
. = - K
pt
.f

Để nghiên cứu phản ứng của động cơ khi phụ tải thay đổi, cho một kích thích nhỏ f dạng
hàm xung đơn vị (t) ở đầu vào (cho phụ tải thay đổi một lợng nhỏ sau đó mất đi), tức là
xét phơng trình động: T
đ
.
dt
d
+ K
đ
. = 0
Phơng trình có nghiệm: = C.e
pt
= C.
t
J
F
d
e

Với điều kiện ban đầu khi t = 0 thì =
o
C =
o
, nghiệm của phơng trình trở thành:
=
o
.
t
J
F

d
e


sự thay đổi của hay phản ứng của động cơ có dạng hàm mũ
Do J luôn có giá trị dơng, đờng cong biểu thị phản ứng của động cơ phụ thuộc vào dấu
của
J
F
d

. Sau đây sẽ lần lợt xét các trờng hợp.
a.
J
F
d

< 0 F
đ
> 0: Đờng đặc tính của động cơ có dạng nh hình vẽ 2.3.
Trong trờng hợp này nếu động cơ đang làm việc ổn định có tác động nhiễu dạng xung
9

t
= =

t
(phụ tải thay đổi đột ngột sau đó lại trở về trạng thái bình thờng) thì vòng quay của
động cơ có khả năng trở lại trạng thái cân bằng (
o

) mà không cần có tác động điều
chỉnh nào.
Hình 2.3: Đặc tính thay đổi vòng quay của động cơ khi F
đ
> 0
b.
J
F
d

= 0 F
đ
= 0: Đờng đặc tính của động cơ có dạng nh hình vẽ 2.4.
Trong trờng hợp này động cơ luôn tái lập đợc trạng thái làm việc cân bằng, tuy nhiên
trạng thái cân bằng mới đợc thiết lập lại có thông số không giống với trạng thái cân bằng
trớc khi có nhiễu.
Hình 2.4: Đặc tính thay đổi vòng quay của động cơ khi F
đ
= 0
c.
J
F
d

> 0 F
đ
< 0: Đờng đặc tính của động cơ có dạng nh hình vẽ 2.5.
10

o
t
Hình 2.5: Đặc tính thay đổi vòng quay của động cơ khi F
đ
< 0
Trong trờng hợp này động cơ làm việc không ổn định. Nếu xuất hiện tác động nhiễu
trạng thái cân bằng ban đầu sẽ bị phá vỡ, vòng quay của động cơ ngày càng lệch xa khỏi
giá trị ban đầu (dễ dẫn tới trạng thái dừng máy (lịm máy) đột ngột hoặc quá tốc).
2.2.3. Xác định hệ số tự chỉnh F
đ
của động cơ điêzel
Với năng lợng thoát là E
1
= M
pt
, năng lợng cấp là E
2
= M
đ
, đại lợng đợc điều chỉnh là y =
n, áp dụng công thức xác định hệ số tự chỉnh của đối tợng điều chỉnh bất kỳ (xem lại
giáo trình Cơ sở lý thuyết - phần tử tự động):
F
đ
=

21
EE
=





d
pt
M
M
Có M
pt
= C.n
2
, M
đ
=
n
N
2,716
e
=
n
p.n.C
2,716
e1
= K.p
e

, =
30
n.
60
n.2
=

F
đ
= (2C.n K.p
e
) = A.n - B
Hình 2.6: Hệ số tự chỉnh của động cơ điêzel
Từ đây có thể giải thích khái niệm vòng quay tối thiểu ổn định của động cơ là vòng quay
nhỏ nhất mà động cơ có thể hoạt động ổn định (có khả năng tự ổn định vòng quay). Cũng
từ đây có thể thấy rằng động cơ hoạt động càng gần chế độ vòng quay định mức thì hệ số
tự chỉnh của nó càng cao, nghĩa là động cơ hoạt động càng ổn định và tin cậy hơn.
11
F
d
n
max
n
min
F
d
max
F
d
>0

F
d
=0
F
d
< 0
Vòng quay tối
thiểu ổn định
-B
Đ:+8;0<!
!"

Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:
- Nêu đợc tên và chức năng của các nhóm chi tiết chính của bộ điều tốc
- Nêu đợc một số cách phân loại bộ điều tốc
- Định nghĩa và giải thích đợc các khái niệm về đặc tính điều chỉnh
- Định nghĩa đợc các thông số chính của bộ điều tốc
3.1. Khái niệm về bộ điều tốc động cơ điêzel tàu thuỷ
Bộ điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điêzel (bộ điều tốc) là một thiết bị có cấu tạo bao
gồm hàng loạt các nhóm chi tiết có chức năng khác nhau.
Nhóm điều chỉnh: cảm biến tốc độ quay, phần tử cảm biến có thể là
Kiểu cơ học nh quả văng ly tâm (flyweight, flyball), hoặc
Kiểu điện nh tachogenerator, pulse generator (pick-up sensor), hoặc
Kiểu thuỷ lực
Nhóm chi tiết này tạo nên phần chính của bộ điều tốc.
Động cơ trợ động: khuyếch đại tín hiệu ra của bộ điều tốc, gồm hai cơ cấu chính là
Thiết bị điều khiển (pilot valve) và,
Piston lực (power piston, servo piston).
Các cơ cấu phản hồi: tăng tính ổn định
Phản hồi cứng, hoặc

Phản hồi mềm, hoặc
Phản hồi tổng hợp
Hình 3.1 là một ví dụ về bộ điều tốc. Đây là một bộ điều tốc một chế độ.
1. Động cơ 2. Quả văng 3. Vòng bi chặn 4. Lò xo tốc độ 5. Thanh truyền
6. Thanh răng bơm cao áp (thanh răng nhiên liệu)
Nguyên lý hoạt động của bộ điều tốc này sẽ đợc giải thích trong các bài tiếp theo.
12
1
A B
C
2
3
5
6
4
Hình 3.1: Bộ điều tốc một chế độ
3.2. Phân loại các bộ điều tốc
Phân loại theo phơng thức truyền động từ nhóm thiết bị điều chỉnh đến cơ cấu
điều chỉnh: bộ điều tốc hoạt động trực tiếp, bộ điều tốc hoạt động gián tiếp.
Phân loại theo số lợng chế độ hoạt động của bộ điều tốc: bộ điều tốc một chế độ,
bộ điều tốc hai chế độ, bộ điều tốc nhiều chế độ, bộ điều tốc giới hạn.
Phân loại theo tín hiệu ra của nhóm điều chỉnh: bộ điều tốc cơ học, bộ điều tốc
thuỷ lực, bộ điều tốc điện - điện tử
Phân loại theo nguyên lý xây dựng: bộ điều tốc hoạt động theo nguyên lý độ lệch,
bộ điều tốc hoạt động theo nguyên lý bù nhiễu và bộ điều tốc hoạt động theo
nguyên lý kết hợp.
Phân loại theo tính chất của phản hồi (liên hệ ngợc): bộ điều tốc sử dụng liên hệ
ngợc cứng, bộ điều tốc sử dụng liên hệ ngợc mềm, bộ điều tốc sử dụng liên hệ ng-
ợc tổng hợp.
13

A
3
N (PS)
n (rpm)
M
1
M
3
n
1
n
o
N
max
A
1
A
2
A
5
A
4
n
4
n
5
Hình 3.2: Đặc tính điều chỉnh hữu sai
N (PS)
n (rpm)
M

1
M
3
n
o
N
max
A
1
A
2
A
3
A
5
A
4
n
4
n
5
Hình 3.3: Đặc tính điều chỉnh vô sai
3.3. Đặc tính điều chỉnh
Đặc tính điều chỉnh là tập hợp các điểm biểu thị các trạng thái làm việc cân bằng của
động cơ trên đồ thị công suất - vòng quay khi có sự hoạt động của bộ điều tốc.
Hình 3.2 biểu thị đặc tính điều chỉnh hữu sai. Tơng ứng với các chế độ tải khác nhau
vòng quay của động cơ bị sai lệch so với giá trị đặt.
=
>
3=

*
3=
?
@điểm phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt khi động cơ không đợc
trang bị bộ điều tốc (vòng quay thay đổi từ n
4
đến n
5
),
=
5
3=
*
3=
:
@điểm phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt khi động cơ đợc trang bị
bộ điều tốc hữu sai (vòng quay đợc duy trì ổn định ở n
o
và lân cận khi tải thay đổi trong
khả năng của động cơ).
14
Hình 3.3 biểu thị đặc tính điều chỉnh vô sai, với mọi chế độ tải nằm trong khả năng công
tác của động cơ thì bộ điều tốc sẽ duy trì vòng quay ổn định chính xác bằng giá trị đặt.
=
>
3=
*
3=
?
@điểm phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt khi động cơ không đợc

trang bị bộ điều tốc (vòng quay thay đổi từ n
4
đến n
5
),
=
5
3=
*
3=
:
@điểm phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt khi động cơ đợc trang bị
bộ điều tốc vô sai (vòng quay đợc duy trì ổn định ở n
o
với mọi chế độ tải nằm trong khả
năng của động cơ).
3.4. Các thông số đặc trng của bộ điều tốc
3.4.1. Hệ số không đều về tốc độ (speed droop)
Hệ số không đều về tốc độ đặc trng cho khả năng duy trì ổn định vòng quay của động cơ
so với vòng quay cho trớc (vòng quay đặt - setting speed) khi phụ tải thay đổi. Giả sử
vòng quay của động cơ ở chế độ tĩnh khi không mang tải là n
o
, vòng quay của động cơ ở
chế độ tĩnh khi mang 100% tải là n
1
thì:
( )
100
nn
2

1
nn
1o
1o
ì
+

=
(%)
(Tham khảo: Công thức của Woodward Governor
100
n
nn
1
1o
ì

=
)
Với bộ điều tốc có = 0 (bộ điều tốc phi tĩnh hay bộ điều tốc vô sai) vòng quay của
động cơ ở các chế độ tĩnh sẽ đợc duy trì ở giá trị đặt n
o
với mọi chế độ tải nằm trong
phạm vi công tác của động cơ. Nói cách khác khi phụ tải của động cơ thay đổi trong khả
năng làm việc của nó thì vòng quay ở các chế độ tĩnh luôn đợc duy trì nh giá trị đặt mà
không có sai lệch.
Bộ điều tốc có 0 (bộ điều tốc tĩnh học hay bộ điều tốc hữu sai) không có khả năng
duy trì vòng quay của động cơ ở các chế độ tĩnh chính xác bằng giá trị đặt n
o
khi phụ

tải nằm trong phạm vi công tác của động cơ. Khi phụ tải của động cơ thay đổi trong khả
năng làm việc của nó thì vòng quay sẽ bị sai lệch một lợng nhỏ so với giá trị đặt khi
trạng thái cân bằng đợc lặp lại. Nói cách khác bộ điều tốc chỉ có khả năng duy trì vòng
quay của động cơ ở lân cận n
o
khi phụ tải thay đổi. Hình 3.4 biểu thị đặc tính điều chỉnh
trong các trờng hợp.
Với bộ điều tốc có > 0 vòng quay của động cơ ở chế độ cân bằng tĩnh sẽ giảm đi một ít
15
n
N(PS)
=0
100%
n
o
N(PS)
n
> 0
100%
n
o
n
1
N(PS)
n
< 0
100%
n
o
n

1
Hình 3.4: Đặc tính tĩnh của bộ điều tốc =0, >0 và <0
so với giá trị đặt khi phụ tải tăng. Sai lệch vòng quay của động cơ (sau khi thiết lập lại
chế độ cân bằng tĩnh) có chiều ngợc với sự thay đổi tải.
Ngợc lại nếu bộ điều tốc có < 0 sai lệch vòng quay của động cơ (sau khi thiết lập lại
chế độ cân bằng tĩnh) cùng chiều với sự thay đổi phụ tải. Trên thực tế bộ điều tốc có
< 0 thờng không đợc sử dụng do nó có thể dẫn tới trờng hợp vòng quay của động cơ
không ổn định đợc.
Giá trị của hệ số không đều thờng đợc qui định trực tiếp hoặc gián tiếp bởi các cơ quan
Đăng kiểm. Các bộ điều tốc trang bị cho các động cơ điêzel lai máy phát điện thờng yêu
cầu có < 5% và các động cơ điêzel lai chân vịt thì < 10%.
Hệ số không đều về tốc độ có vai trò rất quan trọng với các động cơ điêzel làm việc song
song. Chúng ta sẽ xét đến điều này trong các bài sau.
3.4.2. Vùng không nhạy (dead zone) và hệ số không nhạy
Trên thực tế do các chi tiết của bộ điều tốc có khối lợng và giữa các chi tiết chuyển động
có ma sát, quán tính nên có hiện tợng có sự thay đổi về vòng quay nhng bộ điều tốc cha
có tác động điều chỉnh, vùng này đợc gọi là vùng không nhạy của bộ điều tốc. Hình 3.5
biểu thị vùng không nhạy của đặc tính điều chỉnh.
Nếu sự thay đổi của phụ tải làm thay đổi vòng quay của động cơ nhng vòng quay cha v-
ợt ra khỏi vùng không nhạy thì bộ điều tốc cha làm việc, chỉ khi nào sự thay đổi của phụ
tải làm cho vòng quay vợt ra khỏi vùng không nhạy thì bộ điều tốc mới hoạt động và có
tác động điều chỉnh. Vùng không nhạy đợc đặc trng bởi hệ số không nhạy .
Công thức xác định hệ số không nhạy:
( )
100
''n'n
2
1
''n'n
ì

+

=
(%)
16
n
N(PS)
100%
n
n
n
N(PS)
100%
n
11
n
o
n
1
n
12
n
o1
n
o2
Hình 3.5: Vùng không nhạy
Hệ số không nhạy lớn (vùng không nhạy rộng) thì không có lợi vì khi đó bộ điều tốc
mất đi độ nhạy và trở nên ì (tác động chậm trễ) trớc sự thay đổi của phụ tải.
Hệ số không nhạy thay đổi theo thời gian khai thác, tình trạng kỹ thuật (mới, cũ) và
công tác chăm sóc, bảo dỡng Giá trị hệ số không nhạy càng nhỏ càng tốt nhng trên

thực tế không thể loại bỏ hoàn toàn nó đợc, ngời ta chỉ có thể hạn chế vùng không nhạy
bằng cách chăm sóc, bảo dỡng bộ điều tốc theo định kỳ. Trong kỹ thuật thờng yêu cầu
<1~5%.
Hình 3.6: ảnh hởng của vùng không nhạy đến
Hình vẽ 3.6 đợc dùng để xét ảnh hởng của tới : khi = 0 thì
( )
100
nn
2
1
nn
1o
1o
o
ì
+

=
Khi 0 thì
( )
100
nn
2
1
nn
121o
121o
ì
+

=

Giả sử n
o1
+n
12
=2n và n=const trong mọi trờng hợp. Với n
o1
=n
o
+n, n
12
=n
1
-n có:
17
n
nn
N(PS)
100%
( )
[ ]
100
nn()nn
2
1
)nn()nn(
1o
1o
ì

++
+
=
( ) ( )

+=ì
+

+ì
+

=
o
1o1o
1o
100
nn
2
1
n2
100
nn
2
1
nn


: thành phần gia tăng hệ số không đều do ảnh hởng của vùng không nhạy.
Từ việc phân tích trên đây có thể thấy công tác bảo dỡng, vệ sinh định kỳ cũng góp phần
làm giảm .

3.4.3. Độ phi tuyến (nonlinearity)
Sở dĩ có độ phi tuyến là do quan hệ giữa công suất và vòng quay không phải là tuyến
tính. Nguyên nhân có thể là do quan hệ phi tuyến giữa tín hiệu ra và vào của phần tử
cảm biến vòng quay (do lò xo tốc độ - speeder spring), do truyền động từ bộ điều tốc
đến thanh răng bơm cao áp, do truyền động từ động cơ đến bộ điều tốc Đờng đặc tính
điều chỉnh do đó có dạng cong.
Hình 3.7: Độ phi tuyến
Thông số đặc trng cho độ phi tuyến là hệ số phi tuyến :
100
)''n'n(
2
1
''n'n
ì
+

=
(%)
Quá trình động hay quá trình chuyển tiếp là quá trình mà tốc độ quay của động cơ
chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác. Hình 3.8 biểu thị một
dạng quá trình động. Thông số đặc trng quan trọng nhất của quá trình động là thời gian
điều chỉnh và độ quá điều chỉnh hay còn đợc gọi là độ lệch động.
3.4.4. Độ lệch động (overdamping/overshooting)
Độ lệch tức thời cực đại của vòng quay của động cơ khi đột ngột cắt hoàn toàn phụ tải
18
6)87
n
o
t

t
đc
n
max

đặt vào động cơ.

đ
=
o
max
n
n

3.4.5. Thời gian điều chỉnh
Thời gian điều chỉnh là thời gian tính từ khi xuất hiện nhiễu loạn (thay đổi phụ tải) làm
thay đổi vòng quay của động cơ tới khi vòng quay của động cơ đợc điều chỉnh ổn định
trở lại. Vòng quay của động cơ đợc coi là ổn định trở lại khi sự thay đổi của nó nằm
trong vùng không nhạy của bộ điều tốc.
Thời gian điều chỉnh biểu hiện sự phối hợp công tác giữa bộ điều tốc và động cơ. Thời
gian điều chỉnh thờng đợc tính bằng giây. Nó phụ thuộc vào các yếu tố nh kiểu loại bộ
điều tốc (cơ học, thuỷ lực, điện-điện tử), sự phù hợp giữa bộ điều tốc và động cơ, việc
hiệu chỉnh bộ điều tốc và công tác bảo dỡng
Hình 3.8: Đặc tính động
Ngoài các thông số kể trên bộ điều tốc còn các thông số đặc trng khác nh độ suy giảm
biên độ, giới hạn vùng vòng quay hoạt động, khả năng chịu tải của trục ra
Các thông số , , là các thông số đặc trng cho chế độ tĩnh của bộ điều tốc còn t
đc
,
đ

là các thông số đặc trng cho chế độ động của bộ điều tốc.
19
Đ>+A33B!C<
(Chế độ hoạt động của bộ điều tốc ở đây đợc hiểu là chế độ vòng quay)
!"

Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:
- Nêu đợc khái niệm về
bộ điều tốc một chế độ
bộ điều tốc hai chế độ
bộ điều tốc nhiều chế độ và
bộ điều tốc giới hạn
- Nêu đợc đặc điểm cấu tạo và giải thích đợc nguyên lý hoạt động của một số bộ điều tốc
theo cách phân loại trên
- Vẽ đợc dạng đờng đặc tính điều chỉnh của các loại bộ điều tốc kể trên
4.1. Bộ điều tốc một chế độ
Bộ điều tốc một chế độ chỉ có tác động điều chỉnh để duy trì vòng quay ổn định ở một giá
trị đặt trớc nhất định, khi khai thác động cơ ở các chế độ vòng quay khác giá trị này thì bộ
điều tốc không có tác dụng điều chỉnh, lúc đó động cơ làm việc theo đặc tính ngoài không
có bộ điều tốc. Vòng quay làm việc của bộ điều tốc một chế độ thờng là vòng quay định
mức, vòng quay tối thiểu ổn định hoặc vòng quay cực đại.
Hình vẽ 4.2 minh họa một bộ điều tốc một chế độ hoạt động trực tiếp.
Mâm quay và cặp quả văng đợc dẫn động từ trục khuỷu thông qua cơ cấu bánh răng côn.
Khi động cơ hoạt động với vòng quay ổn định ở vòng quay làm việc của bộ điều tốc, lực
ly tâm do cặp quả văng 2 tạo ra cân bằng với sức căng của lò xo 4 tại vòng bi chặn 3.
Giả sử phụ tải của động cơ tăng, vòng quay của động cơ tức thời sẽ bị giảm, lực ly tâm
do cặp quả văng tạo ra giảm đi, lò xo sẽ đẩy vòng bi chặn đi xuống, thanh truyền ABC
do đó bị kéo quay cùng chiều kim đồng hồ quanh điểm tựa A, thanh răng bơm cao áp đ-
ợc đẩy theo chiều (+) tăng lợng nhiên liệu cấp vào động cơ. Khi nhiên liệu cấp vào động

cơ đã tăng lên thì vòng quay của động cơ sẽ dần tăng lên, lực ly tâm do cặp quả văng tạo
ra sẽ dần cân bằng với sức căng lò xo trên vòng bi chặn. Khi trạng thái cân bằng đợc
20
1
A B
C
2
3
5
6
4
thiết lập lại thì thanh răng bơm cao áp ở một vị trí khác tơng ứng với phụ tải mới, sức
căng của lò xo tốc độ bị thay đổi một ít. Liên kết giữa thanh truyền ABC (trục ra của bộ
điều tốc) và thanh răng nhiên liệu thờng là liên kết mềm (qua lò xo hoặc xy lanh giảm
chấn).
Hình 4.2: Bộ điều tốc một chế độ
Chú thích hình vẽ: 1. Động cơ 2. Quả văng 3. Vòng bi chặn 4. Lò xo tốc độ
5. Thanh truyền 6. Thanh răng bơm cao áp (thanh răng nhiên liệu)
Khi phụ tải giảm thì bộ điều tốc hoạt động ngợc lại.
Đặc điểm cơ bản của bộ điều tốc một chế độ là sức căng của lò xo tốc độ không thay đổi. Trên
thực tế bộ điều tốc nhiều chế độ có thể đợc dùng nh bộ điều tốc một chế độ khi động cơ chỉ
hoạt động ở một vòng quay nhất định, ngời khai thác sẽ ấn định tốc độ đặt ở một giá trị cố
định. Trong quá trình khai thác động cơ ngời khai thác không tác động để thay đổi tốc độ đặt
của bộ điều tốc (không thay đổi sức căng của lò xo tốc độ).
Bộ điều tốc một chế độ thờng đợc trang bị cho các động cơ điêzel lai máy phát điện, các động cơ
điêzel cỡ nhỏ nh động cơ lai máy nén, lai bơm, các động cơ điêzel thấp tốc lai chân vịt
21
n (rpm)
M
min

N (PS)
M
đ
m
n
1
n
o
N
max
A
1
A
2
A
3
A
5
A
4
n
4
n
5
Hình 4.1: Đặc tính tĩnh của bộ điều tốc một chế độ
Hình 4.1 biểu thị dạng đặc tính tĩnh của bộ điều tốc một chế độ. Bộ điều tốc làm việc và
duy trì vòng quay ở n
o
(có thể là một trong các giá trị vòng quay định mức, vòng quay
tối thiểu ổn định hoặc vòng quay cực đại ) và lân cận. ở các chế độ vòng quay khác bộ

điều tốc không có tác dụng, động cơ làm việc theo đặc tính ngoài.
4.2. Bộ điều tốc hai chế độ
Từ yêu cầu thực tế với động cơ điêzel lai chân vịt là cần phải làm việc ổn định không chỉ
ở chế độ vòng quay khai thác (hoặc vòng quay định mức) mà còn phải làm việc ổn định
cả ở chế độ vòng quay nhỏ (nh vòng quay tối thiểu ổn định) bộ điều tốc hai chế độ đợc
sử dụng để đáp ứng yêu cầu này.
Bộ điều tốc hai chế độ có hai loại kết cấu: loại có hai cặp quả văng và loại có hai lò xo.
ở chế độ vòng quay nhỏ chỉ có một cặp quả văng hoặc một lò xo làm việc, còn ở chế độ
vòng quay lớn hơn cả hai cặp quả văng hoặc hai lò xo đều làm việc.
Hình 4.3 minh họa một bộ điều tốc hai chế độ kiểu có hai lò xo.
Mâm quay và cặp quả văng đợc dẫn động từ trục khuỷu thông qua cơ cấu bánh răng côn.
Khi vòng quay của động cơ tơng ứng với vòng quay làm việc thứ nhất của bộ điều tốc thì
lực ly tâm do cặp quả văng 2 tạo ra cân bằng với sức căng của lò xo thứ nhất 4-1 tại
vòng bi chặn 3. Lò xo thứ hai 4-2 tự do. Khi vòng quay của động cơ tơng ứng với vòng
quay làm việc thứ hai của bộ điều tốc thì lực ly tâm do cặp quả văng 2 tạo ra cân bằng
với sức căng của lò xo thứ nhất 4-1 và lò xo thứ hai 4-2 tại vòng bi chặn 3. Cả hai lò xo
đều có tác dụng lên vòng bi chặn.
22
1
A B
C
2
3
5
6
4-1
4-2
Hình 4.4: Bộ điều tốc hai chế độ
Chú thích hình vẽ: 1. Động cơ 2. Quả văng 3. Vòng bi chặn 4-1. Lò xo tốc độ
thứ nhất 4-2. Lò xo tốc độ thứ hai 5. Thanh truyền 6. Thanh răng bơm cao áp

(thanh răng nhiên liệu)
Giả sử động cơ đang hoạt động ổn định ở vòng quay làm việc thứ nhất của bộ điều tốc.
Giả sử phụ tải của động cơ tăng, vòng quay tức thời của động cơ sẽ bị giảm, lực ly tâm
do cặp quả văng tạo ra giảm đi, lò xo thứ nhất sẽ đẩy vòng bi chặn đi xuống, thanh
truyền ABC do đó bị kéo quay cùng chiều kim đồng hồ quanh điểm tựa A, thanh răng
bơm cao áp đợc đẩy theo chiều (+) tăng lợng nhiên liệu cấp vào động cơ. Khi nhiên liệu
cấp vào động cơ đã tăng lên thì vòng quay của động cơ sẽ dần tăng lên, lực ly tâm do
cặp quả văng tạo ra sẽ dần cân bằng với sức căng lò xo trên vòng bi chặn. Khi trạng thái
cân bằng đợc thiết lập lại thì thanh răng bơm cao áp ở một vị trí khác tơng ứng với phụ
tải mới, sức căng của lò xo tốc độ bị thay đổi một ít.
Trờng hợp động cơ đang hoạt động ổn định ở vòng quay làm việc thứ hai của bộ điều tốc
và có sự thay đổi phụ tải, bộ điều tốc sẽ hoạt động tơng tự chỉ khác là lực ly tâm của cặp
quả văng tạo ra phải cân bằng với lực đàn hồi của hai lò xo.
Khi phụ tải giảm thì bộ điều tốc hoạt động ngợc lại.
23
M
đm
M
min
n (rpm)
N (PS)
n
1
n
o
N
max
A
1
A

2
A
3
n
min
Hình 4.3: Đặc tính tĩnh của bộ điều tốc hai chế độ
Hình 4.3 biểu thị dạng đờng đặc tính tĩnh của bộ điều tốc hai chế độ, hai chế độ làm việc
là vòng quay khai thác và vòng quay tối thiểu ổn định. Trong khoảng giữa hai chế độ
vòng quay này bộ điều tốc bị ngắt khỏi quá trình công tác, động cơ làm việc theo đặc
tính ngoài không có bộ điều tốc và ngời khai thác điều chỉnh trực tiếp tay ga để ổn định
vòng quay (không qua bộ điều tốc).
Bộ điều tốc loại này có thể đợc trang bị trên các động cơ điêzel lai chân vịt hoặc lai bơm
4.3. Bộ điều tốc nhiều chế độ
Bộ điều tốc nhiều chế độ cho phép thay đổi vòng quay đặt trớc và nó sẽ tác động để duy
trì ổn định vòng quay của động cơ theo giá trị đặt khi phụ tải nằm trong khả năng phát ra
công suất của động cơ.
Việc đặt vòng quay cho bộ điều tốc đợc thực hiện bằng cách thay đổi độ lớn giá trị tín
hiệu cho trớc (với bộ điều tốc kiểu cơ khí, thủy lực là sức căng lò xo tốc độ và với bộ
điều tốc kiểu điện - điện tử là điện áp đặt).
Hình 4.6 minh họa một bộ điều tốc nhiều chế độ kiểu cơ khí đơn giản.
Mâm quay và cặp quả văng đợc dẫn động từ trục khuỷu thông qua cơ cấu bánh răng côn.
Khi vòng quay của động cơ tơng ứng với vòng quay làm việc của bộ điều tốc thì lực ly
tâm do cặp quả văng 2 tạo ra cân bằng với sức căng của lò xo tại vòng bi chặn 3.
Giả sử động cơ đang hoạt động ổn định ở vòng quay làm việc của bộ điều tốc. Giả sử
phụ tải của động cơ tăng, vòng quay tức thời của động cơ sẽ bị giảm, lực ly tâm do cặp
quả văng tạo ra giảm đi, lò xo sẽ đẩy vòng bi chặn đi xuống, thanh truyền ABC do đó bị
24
kéo quay cùng chiều kim đồng hồ quanh điểm tựa A, thanh răng bơm cao áp đợc đẩy
theo chiều (+) tăng lợng nhiên liệu cấp vào động cơ. Khi nhiên liệu cấp vào động cơ đã
tăng lên thì vòng quay của động cơ sẽ dần tăng lên, lực ly tâm do cặp quả văng tạo ra sẽ

dần cân bằng với sức căng lò xo trên vòng bi chặn. Khi trạng thái cân bằng đợc thiết lập
lại thì thanh răng bơm cao áp ở một vị trí khác tơng ứng với phụ tải mới, sức căng của lò
xo tốc độ bị thay đổi một ít.
1
A B
C
2
3
5
6
4
7
Hình 4.6: Bộ điều tốc nhiều chế độ
Chú thích hình vẽ: 1. Động cơ 2. Quả văng 3. Vòng bi chặn 4. Lò xo tốc độ
5. Thanh truyền 6. Thanh răng bơm cao áp (thanh răng nhiên liệu) 7. Tay điều khiển
Tay điều khiển 7 đợc dùng để thay đổi sức căng của lò xo tốc độ. Khi đẩy tay điều khiển
lên lò xo tốc độ sẽ bị nén lại đẩy vòng bi chặn 3 đi xuống. Thanh truyền ABC bị kéo đi
xuống sẽ đẩy thanh răng nhiên liệu theo chiều (+), cấp thêm nhiên liệu vào động cơ để
tăng vòng quay của động cơ. Trạng thái cân bằng đợc lập lại khi vòng quay của động cơ
đạt tới giá trị đặt mới (tạo ra lực ly tâm của cặp quả văng cân bằng với sức căng mới của
lò xo).
25