giáo trình máy tàu thủy

022011 – MTT – BGCT - MTT

ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA MÁY TÀU THỦY

MÁY TÀU THỦY

Tp.Hồ Chí Minh, 04/2014
KHOA MÁY TÀU THỦY

1


022011 – MTT – BGCT - MTT

Chương 1:GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TÀU THỦY
1.1: Khái niệm và phân loại máy tàu thuỷ
Các động cơ trong hệ động lực tàu thuỷ thường được sử dụng, lắp đặt là
động cơ đốt trong (ĐCĐT) và tua-bin hơi (TBH). Ngoài ra người ta còn dùng tuabin khí (TBK) hoặc các tua-bin chạy bằng năng lượng nguyên tử để dẫn động cho
các thiết bị khác trên một số tàu chuyên dụng, tuy nhiên số lượng các loại tàu này
rất ít. Ngoài ra, những năm gần đây một số nước có ngành đóng tàu tiên tiến đã chế
tạo thành công loại tàu chạy trên đệm khí.
Trên tàu hàng dùng rộng rãi các động cơ Diesel thấp tốc với khả năng tăng
áp cao giúp tăng lượng không khí và nhiên liệu cung cấp vào xi lanh, qua đó giúp
làm tăng công suất của động cơ trên cơ sở các kích thước cơ bản của động cơ
không đổi.
Để giảm khối lượng và kích thước hệ động lực, làm đơn giản hơn quá trình
khai thác và bảo dưỡng sửa chữa trên thế giới đã áp dụng một số loại động cơ
Diesel trung tốc, thấp tốc hành trình dài hoặc siêu dài...
Hiện nay hệ động lực nhiều máy (HĐLNM) được dùng vào mục đích duy trì
công suất lớn cho các tàu chạy với tốc độ lớn. HĐLNM dùng chủ yếu vào mục đích

quân sự và các tàu chuyên dụng khác. Trên các tàu đó thường dùng các động cơ
chính cùng loại (Diesel, TBH hay TBK hoặc tổ hợp Diesel – TBK).
Máy tàu thuỷ có thể chia ra làm hai nhóm:
Hệ động lực chính tàu thuỷ: Dùng để sinh công cơ học lai chân vịt, sinh ra
lực đẩy tàu để tàu đạt được vận tốc nhất định.
Hệ động lực phụ: Bao gồm các loại máy móc, trang thiết bị còn lại như: các
tổ hợp Diesel lai máy phát điện, động cơ lai máy nén khí, lai bơm, máy lạnh thực
phẩm và điều hòa không khí, máy lọc dầu ...
Hệ động lực chính tàu thuỷ:
 Hệ động lực chính Diesel:

KHOA MÁY TÀU THỦY

2


022011 – MTT – BGCT - MTT

Máy chính là động cơ Diesel lai chân vịt. Máy chính có thể là động cơ thấp
tốc, cao tốc hoặc trung tốc, có thể đảo chiều hoặc không đảo chiều.
Hệ động lực chính Diesel lai chân vịt được truyền động có thể trực tiếp hoặc
gián tiếp thông qua ly hợp, qua hộp số đảo chiều hoặc truyền động điện, truyền
động thủy lực. Chân vịt có thể là loại chân vịt biến bước hoặc định bước.
Hệ động lực chính Diesel có thể dùng một động cơ lai 1 chân vịt, có thể hoặc
không qua ly hợp (truyền động trực tiếp) hoặc hai động cơ lai một chân vịt hoặc
nhiều động cơ lai thứ tự nhiều chân vịt.
Hệ động lực chính Diesel có thể sử dụng nhiều máy (HĐLNM) để lai chân
vịt. Trên các HĐL này dùng một bộ truyền động hộp số. Bộ truyền động hộp số
đóng vai trò bộ góp mômen, góp công suất của các động cơ thành phần. Bộ góp cho
phép một hoặc nhiều động cơ có thể hoạt động riêng biệt hoặc đồng thời cùng lai

một chân vịt.
 Hệ động lực chính Hơi nước:
Trong HĐL chính hơi nước thì động cơ lai chân vịt là động cơ hơi nước
như: Máy hơi nước kiểu piston; Tua-bin hơi.
 Hệ động lực chính Diesel - Tua-bin khí:
Là tổ hợp bao gồm động cơ diesel (một hoặc nhiều động cơ) và tua-bin khí
làm việc chung với chân vịt. Việc xuất hiện tổ hợp các máy kết hợp giữa các loại
động cơ khác nhau do nhu cầu ngày càng tăng về sử dụng năng lượng. Các hệ động
lực laoij này tận dụng được ưu điểm riêng lẻ của từng loại riêng biệt.
Hệ động lực phụ tàu thủy:
Các hệ động lực phụ có nhiệm vụ phục vụ cho các hoạt động của máy chính
và con tàu. Hệ động lực phụ cơ bản xét đến đó là tổ hợp Diesel lai máy phát điện.
Các máy phát điện thường được dẫn động bởi động cơ Diesel, ngoài ra còn có thể
dùng tua-bin hơi, tua-bin khí (qua hộp giảm tốc) để lai máy phát. Trên một số tàu
hàng lớn, chạy tuyến dài người ta có thể bố trí máy phát điện động trục do chính
máy chính lai để tăng tính kinh tế cho hệ động lực. Hệ động lực phụ có thể kể đến
KHOA MÁY TÀU THỦY

3


022011 – MTT – BGCT - MTT

nữa là các tổ hợp máy lai - máy nén khí, máy lai - máy lọc, máy lai – bơm, máy lạnh
và điều hòa không khí ...
Tự động hóa máy tàu thủy:
Các con tàu được trang bị các hệ thống thiết bị tự động để tăng khả năng
hoạt động tự động cho các máy móc, thiết bị, nâng cao tính an toàn, tin cậy và hiệu
quả khai thác cho con tàu và máy móc trên tàu.
Hiện nay, trên tàu có hai mức tự động hóa:

Mức A1 - Tàu được tự động hoá, không cần trực ca ở buồng máy và trung
tâm điều khiển (control center).
Mức A2 - Tàu được tự động hoá, việc điều khiển máy móc, thiết bị ở buồng
máy được thực hiện từ xa tại buồng điều khiển (control room).
Hiện nay hầu hết các tàu vận tải biển của các công ty vận tải biển trong nước,
mức độ tự động hoá đều ở dưới mức A2. Thực tế là các tàu nhỏ cũ thì hầu như
không có tự động. Các tàu lớn hơn nhưng có tuổi khá cao tuy có mức độ tự động
A2 song chúng làm việc không tin cậy. Từ đó người khai thác thường xuyên phải
trực ca dưới buồng máy và vận hành khai thác tại máy.
Các tàu đóng mới ngày nay có mức độ tự động hoá cao. Trên các tàu này các
thiết bị tự động đã thay thế được những công việc trực ca bình thường. Tình trạng
hoạt động của máy được tự động điều khiển, điều chỉnh, dự báo hư hỏng để người
khai thác biết kịp thời xử lý, đưa ra những biện pháp khai thác cần thiết, an toàn và
kinh tế cho hệ động lực.

1.2: Các loại tàu thông dụng hiện nay:
 Tàu chở hàng bách hóa (Multipurpose ship)

KHOA MÁY TÀU THỦY

4


022011 – MTT – BGCT - MTT

Hình 1- 1 : Multi- purpose ship
 Tàu chở hàng container (Container Ship)

Hình 1- 2 : Tàu container
 Tàu ropax- roro

KHOA MÁY TÀU THỦY

5


022011 – MTT – BGCT - MTT

Hình 1- 3 : Tàu ropax
 Tàu chở, dầu hóa chất, khí hóa lỏng

Hình 1- 4 : Tàu chở dầu, hóa chất

KHOA MÁY TÀU THỦY

6


022011 – MTT – BGCT - MTT

Hình 1- 5 : Tàu chở khí hóa lỏng
 Tàu dịch vụ

Hình 1- 6 : Tàu dịch vụ
 Tàu cá

KHOA MÁY TÀU THỦY

7

022011 – MTT – BGCT - MTT

Hình 1- 7 : Tàu đánh cá

Chương 2:

ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY

2.1: Những định nghĩa và khái niệm cơ bản
Động cơ nhiệt bao gồm động cơ đốt trong và động cơ đốt ngoài. Động cơ đốt
ngoài là loại động cơ nhiệt có quá trình đốt cháy nhiên liệu được tiến hành ở bên
KHOA MÁY TÀU THỦY

8


022011 – MTT – BGCT - MTT

ngoài động cơ. Ví dụ: Máy hơi nước kiểu piston, tua-bin hơi nước… Động cơ đốt
trong là loại động cơ nhiệt trong đó việc đốt cháy nhiên liệu, sự toả nhiệt và quá
trình chuyển hoá từ nhiệt năng của môi chất công tác (hỗn hợp khí đốt do việc
cháy nhiên liệu) sang cơ năng được tiến hành ngay trong bản thân động cơ. (VD:
Động cơ diesel, động cơ cacbua ratơ, động cơ gas ...)
Động cơ diesel là loại động cơ đốt trong kiểu piston dùng nhiên liệu lỏng,
mà trong đó nhiên liệu được đưa vào xilanh cuối quá trình nén, tự bắt lửa trong
không khí có nhiệt độ và áp suất cao do bị nén trong xilanh. Động cơ diesel còn gọi
là động cơ tự cháy (trên tàu thuỷ chỉ dùng loại này).

2.2: Những bộ phận chính của động cơ đốt trong kiểu piston

KHOA MÁY TÀU THỦY

9


022011 – MTT – BGCT - MTT

Hình 2- 8 : Sơ đồ kết cấu các chi tiết của động cơ Diesel 4 kì

KHOA MÁY TÀU THỦY

10


022011 – MTT – BGCT - MTT

Hình 2- 9 : Sơ đồ kết cấu các chi tiết của động cơ Diesel 2 kì
Động cơ đốt trong kiểu piston có các bộ phận cơ bản bao gồm nhóm các chi
tiết tĩnh, nhóm các chi tiết động và các hệ thống phục vụ.
Các chi tiết tĩnh gồm: Bệ máy, thân máy, khối xilanh, nắp xilanh.
Các chi tiết động gồm: Piston, thanh truyền, trục khuỷu, supap.
Các hệ thống phục vụ động cơ gồm:
-

Hệ thống phân phối khí.
Hệ thống cung cấp nhiên liệu.
Hệ thống làm mát.
Hệ thống bôi trơn.
KHOA MÁY TÀU THỦY

11


022011 – MTT – BGCT - MTT

-

Hệ thống khởi động và đảo chiều.
Hệ thống tăng áp (với loại động cơ có tăng áp).

2.3: Nguyên lý làm việc:
Khi nhiên liệu cháy trong xilanh động cơ (tự cháy do được cung cấp vào
trong xilanh ở cuối quá trình nén, khi áp suất và nhiệt độ của không khí nén trong
xilanh tăng lên bằng với nhiệt độ tự bốc cháy của nhiên liệu, hoặc bị đốt cháy
cưỡng bức nhờ nguồn lửa bên ngoài) sẽ sinh ra sản phẩm cháy có áp suất và nhiệt
độ cao, sản phẩm cháy giãn nở bên trong xilanh động cơ sinh ra lực tác dụng lên
đỉnh piston đẩy piston chuyển động tịnh tiến đi xuống.
Nhờ có cơ cấu thanh truyền trục khuỷu, chuyển động tịnh tiến của piston
được chuyển thành chuyển động quay của trục khuỷu thông qua chuyển động song
phẳng của thanh truyền.
Để đảm bảo nạp khí mới kịp thời vào xilanh, cũng như để thải đúng lúc khí
thải ra khỏi xilanh động cơ, trên động cơ được bố trí hệ thống phân phối khí. Bao
gồm các xupap nạp, xupap thải khí, cơ cấu đóng mở xupap và các thiết bị tăng áp
suất cho khí nạp.
Để cung cấp nhiên liệu mới vào xilanh thì động cơ được trang bị hệ thống
cung cấp nhiên liệu. Bao gồm bơm cao áp (BCA), đường ống cao áp, vòi phun
nhiên liệu và cơ cấu dẫn động BCA.
Sự chênh lệch giữa nhiệt độ cực đại khi cháy nhiên liệu và nhiệt độ thấp nhất
cuối quá trình giãn nở (900 ÷1500oK) bảo đảm cho chu trình công tác của động cơ

thu được hiệu suất cao.
Tuy nhiệt độ cháy cao, nhưng quá trình cháy trong động cơ có tính chu kì và
các chi tiết tiếp xúc với khí cháy luôn được làm mát nhờ hệ thống làm mát, các bề
mặt chuyển động tương đối giữa các chi tiết luôn được bôi trơn nhờ hệ thống bôi
trơn nên đảm bảo cho động cơ làm việc ổn định và bền vững, có độ tin cậy cao.

KHOA MÁY TÀU THỦY

12


022011 – MTT – BGCT - MTT

2.4: Ưu nhược điểm của động cơ đốt trong
2.4.1: Ư u điểm:
-

Hiệu suất có ích cao: Đối với động cơ diesel hiện đại hiệu suất có ích có
thể đạt 36 ÷ 49% trong khi đó hiệu suất của thiết bị động lực tua-bin hơi
chỉ 22 ÷ 28%, của thiết bị máy hơi nước không quá 16%, của thiết bị tua-

-

bin khí khoảng 30%.
Nếu hai động cơ đốt trong và đốt ngoài cùng công suất thì động cơ đốt
trong gọn và nhẹ hơn nhiều (vì không cần các thiết bị phụ khác như động

-

cơ đốt ngoài, như nồi hơi, buồng cháy, máy nén, thiết bị ngưng hơi...).

Tính cơ động cao: Khởi động nhanh và luôn luôn ở trạng thái sẵn sàng

-

khởi động. Có thể điều chỉnh kịp thời công suất theo phụ tải.
Dễ tự động hoá và điều khiển từ xa.
Ít gây nguy hiểm khi vận hành (ít có khả năng gây hoả hoạn và nổ vỡ thiết

-

bị).
Nhiệt độ xung quanh tương đối thấp tạo điều kiện tốt cho thợ máy làm

-

việc.
Không tốn nhiên liệu khi ngừng động cơ.
Không cần nhiều người vận hành bảo dưỡng.

2.4.2: Nhược điểm:
-

Khả năng quá tải kém (thường không quá 10% về công suất, 3% về vòng

-

quay trong thời gian một giờ).
Không ổn định khi làm việc ở tốc độ thấp.
Rất khó khởi động khi đã có tải.
Công suất lớn nhất của thiết bị không cao lắm (công suất của động cơ đốt

-

trong không vượt quá 40 ÷ 45 ngàn mã lực hoặc 30 ÷ 37 ngàn KW).
Yêu cầu nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong tương đối khắt khe và đắt

-

tiền.
Cấu tạo của động cơ đốt trong tương đối phức tạp, yêu cầu chính xác cao.
Động cơ làm việc khá ồn, nhất là động cơ cao tốc.
Yêu cầu thợ máy phải có trình độ kỹ thuật cao.

KHOA MÁY TÀU THỦY

13


022011 – MTT – BGCT - MTT

2.5: Động cơ 4 kỳ
2.5.1: Sơ đồ và nguyên lý hoạt động theo chu trình lý thuyết
Động cơ diesel 4 kỳ là loại động cơ diesel hoàn thành một chu trình công sau
4 hành trình piston tương ứng với hai vòng quay trục khuỷu, tức 720 o góc quay trục
khuỷu.

Hình 2- 10 : Chu kì làm việc của động cơ Diesel 4 kì
Chu trình công tác của động cơ diesel 4 kỳ gồm 4 quá trình: nạp, nén, nổ
(cháy giãn nở sinh công) và xả.
 Quá trình nạp khí

Piston đi từ ĐCT xuống ĐCD. Supap hút mở, supap xả đóng. Thể tích trong
xilanh (phía trên piston) tăng lên làm áp suất trong xilanh giảm xuống. Nhờ sự
chênh lệch áp suất mà không khí từ bên ngoài được hút vào xilanh (thông qua bầu
lọc khí, ống hút và xupap hút). Khi piston xuống đến điểm chết dưới thì supap hút
đóng lại hoàn toàn kết thúc quá trình nạp khí. Qúa trình nạp được thể hiện bằng
đoạn r – a trên đồ thị công chỉ thị của động cơ.
 Quá trình nén khí

KHOA MÁY TÀU THỦY

14


022011 – MTT – BGCT - MTT

Các supap hút và supap xả đều đóng kín. Piston đi từ ĐCD lên ĐCT. Không
khí trong xilanh bị nén lại rất nhanh do thể tích của xilanh giảm dần (khi piston đi
từ ĐCD lên ĐCT thì thể tích trong xilanh chỉ bằng 1/15 - 1/22 thể tích ban đầu) nên
áp suất và nhiệt độ khí nén tăng lên rất cao. Cuối quá trình nén, áp suất khí nén có
thể lên tới 40 - 50Kg/cm2 kèm theo việc tăng nhiệt độ không khí lên tới 500-7000c,
cao hơn nhiều so với nhiệt độ tự cháy của nhiên liệu.
Về mặt lý thuyết thì khi piston lên đến ĐCT, nhiên liệu sẽ được phun vào
buồng đốt dưới dạng sương mù kết thúc quá trình nén khí. Quá trình nén khí
được biểu diễn bằng đoạn a – c trên đồ thị công chỉ thị của động cơ.
 Quá trình cháy giãn nở sinh công (kỳ nổ)
Các supap vẫn đóng kín. Piston ở điểm chết trên, nhiên liệu phun vào buồng
đốt gặp khí nén có nhiệt độ cao sẽ tự bốc cháy. Quá trình cháy khoảng 40% nhiên
liệu gần như là quá trình đẳng tích và được biểu diễn bằng đường cz', 60% nhiên
liệu còn lại cháy ở trong điều kiện gần như là đẳng áp (đường z'z). Nhiệt độ và áp
suất trong buồng cháy tăng lên mãnh liệt (áp suất có thể lên tới 60 - 120 Kg/cm2,

nhiệt độ lên tới 1500 - 2000oC) khí cháy giãn nở rất mạnh đẩy piston đi xuống,
thông qua cơ cấu biên làm quay trục khuỷu. Quá trình cháy và giãn nở được biểu
thị bằng đường (z'zb) kết thúc tại điểm b, ứng với lúc piston ở ĐCD.

Hình 2- 11 : Đồ thị công chỉ thị (p – v) lý thuyết của động cơ diesel 4 kỳ không
tăng áp
KHOA MÁY TÀU THỦY

15


022011 – MTT – BGCT - MTT

 Quá trình thải khí (kỳ xả)
Supap xả mở, supap hút đóng. Piston đi từ ĐCD lên ĐCT. Khi piston ở ĐCD
supap xả bắt đầu mở, khí thải trong xilanh tự xả ra ngoài, sau đó piston đi lên tiếp
tục đẩy khí thải ra. Khi piston lên đến điểm chết trên thì supap xả đóng lại, supap
hút lại mở ra, không khí lại được nạp vào xilanh để bắt đầu một chu trình mới. Các
chu trình hoạt động tiếp diễn liên tục khiến cho động cơ hoạt động liên tục. Quá
trình xả khí cháy được biểu diễn bằng đoạn b – d1 trên đồ thị công của động cơ.
2.5.2: Các nhận xét về chu trình lý thuyết:
Trong 4 hành trình của piston chỉ có một hành trình sinh công, các quá trình
còn lại điều tiêu tốn công và làm nhiệm vụ phục vụ cho quá trình sinh công. Sự
quay trục động cơ trong thời gian của ba hành trình còn lại xảy ra nhờ dự trữ năng
lượng mà bánh đà đã tích luỹ được trong thời gian hành trình công tác của piston
hoặc nhờ công của các xilanh khác.
Để khởi động động cơ, đầu tiên cần nhờ năng lượng bên ngoài quay nó
(bằng không khí nén hay là bằng động cơ điện), và chỉ sau khi nén không khí trong
xilanh và cung cấp nhiên liệu có thể nhận được sự bốc cháy, sau đó động cơ mới
bắt đầu tự hoạt động.

Mỗi quá trình (hút, nén, nổ, xả) đều được thực hiện trong một hành trình
của piston tương ứng bằng 180o góc quay của trục khuỷu. Các supap đều bắt đầu
mở hoặc đóng kín đúng khi piston ở vị trí điểm chết do đó chưa tận dụng được
tính lưu động của chất khí. Kết quả là nạp không đầy và thải không sạch khí, ảnh
hưởng tới quá trình cháy của nhiên liệu nên hiệu suất động cơ giảm.
Nếu nhiên liệu được phun vào buồng đốt đúng lúc piston ở ĐCT thì sẽ
không tốt vì: Thực tế sau khi tự phun vào buồng đốt, nhiên liệu không lập tức bốc
cháy ngay mà cần phải có một thời gian để chuẩn bị cháy (gồm thời gian để nhiên
liệu hoà trộn với khí nén trong buồng đốt, thời gian nhiên liệu bốc hơi và hấp thụ
nhiệt trong buồng đốt để nâng nhiệt độ của nó lên tới nhiệt độ tự bốc cháy). Gọi là
thời gian trì hoãn sự cháy τi.

KHOA MÁY TÀU THỦY

16


022011 – MTT – BGCT - MTT

Như vậy nếu nhiên liệu phun đúng khi piston ở ĐCT thì khi nhiên liệu
chuẩn bị xong để bắt đầu cháy piston đã đi xuống một đoạn khá xa (làm thể tích
trong xilanh tăng lên, áp suất và nhiệt độ hỗn hợp giảm) ảnh hưởng trực tiếp tới
chất lượng cháy nhiên liệu. Do vậy công sinh ra của quá trình giãn nở sẽ giảm làm
công suất động cơ giảm.
Mặt khác để phun hết một lượng nhiên liệu vào buồng đốt cần phải có một
thời gian nhất định, như vậy số nhiên liệu phun vào sau sẽ cháy không tốt, hoặc
chưa kịp cháy đã bị thải ra ngoài. Vì thế hiệu suất động cơ giảm.

2.6: Động cơ 2 kỳ
Động cơ diesel 2 kỳ là loại động cơ diesel hoàn thành một chu trình công tác

trong hai hành trình của piston, tương ứng với một vòng quay hoặc 360 o góc quay
của trục khuỷu.
Động cơ 2 kì được chia ra làm 2 loại: Động cơ quét vòng và động cơ quét
thẳng. Trong đó, động cơ quét vòng lại được chia ra: Động cơ quét vòng đặt ngang
(cửa quét và cửa xả đặt đối diện nhau) và động cơ quét vòng đặt 1 bên (cửa quét và
cửa xả đặt cùng một bên).

KHOA MÁY TÀU THỦY

17


022011 – MTT – BGCT - MTT

2.6.1: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ 2 kỳ quét vòng.

Hình 2- 12 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ 2 kỳ quét vòng đặt ngang
2.6.2: Đặc điểm cấu tạo của động cơ 2 kì quét vòng
-

Không có supap.
Các cửa nạp và các cửa xả được bố trí xung quanh trên thành xilanh về hai
phía đối diện nhau. Mép trên của cửa xả cao hơn mép trên của cửa nạp.
Các cửa nạp có hướng vát lên phía trên để tạo hướng đi của dòng khí nạp
lùa lên phía trên sát nắp xilanh (hoàn thiện việc làm sạch phía trên

-

xilanh).
Việc đóng mở các cửa khí do piston đảm nhiệm, piston thường làm có

-

đỉnh lồi.
Do đặc điểm kết cấu của động cơ nên động cơ không thể tự hút không
khí được, do đó yêu cầu phải có cơ cấu tăng áp suất cho khí nạp, đảm bảo
áp suất của khí nạp phải lớn hơn áp suất trong xilanh tại thời điểm nạp
thì mới có thể nạp khí vào cho xilanh. Để tăng áp suất cho khí nạp thì
thường người ta sử dụng phương pháp cơ giới, tức là sử dụng quạt gió
KHOA MÁY TÀU THỦY

18


022011 – MTT – BGCT - MTT

do động cơ điện lai, hoặc trích công suất từ trục động cơ để lai quạt. Đối
với các động cơ công suất lớn thì người ta tăng áp bằng tua-bin khí xả,
tận dụng luồng khí xả của động cơ để làm quay tua-bin, tua-bin quay làm
-

quay máy nén để nén không khí vào xilanh động cơ.
Chu trình công tác được thực hiện trong 2 hành trình piston:

Hành trình thứ nhất:
Piston đi từ điểm chết dưới lên điểm chết trên.
Cho rằng tại thời điểm đầu piston nằm ở điểm chết dưới, lúc đó các cửa nạp
và thải đều mở. Lúc này khí nạp được bơm quét khí thổi vào xilanh (với áp suất 1,15
-1,2 bar). Do có áp suất lớn hơn áp suất khí thải trong xilanh nên khí nạp sẽ đẩy khí
thải qua cửa thải ra ngoài. Giai đoạn này gọi là giai đoạn quét khí hoặc là giai đoạn

thay khí vì nó vừa thải khí cũ vừa nạp khí mới.
Piston đi từ ĐCD lên, các cửa nạp và thải dần dần đều đóng lại. Piston đi lên
một đoạn thì đóng kín cửa nạp trước (đường bk trên đồ thức chỉ thị).
Khi cửa nạp đã đóng, khí nạp đã ngừng không vào xilanh nữa, nhưng vì cửa
thải vẫn còn mở nên khí thải vẫn tiếp tục qua cửa thải ra ngoài. Giai đoạn này còn
gọi là giai đoạn xả khí sót. Trong giai đoạn này có một phần khí nạp cũng bị lọt qua
cửa thải ra ngoài nên còn gọi là giai đoạn lọt khí. Khi piston đi lên đóng kín cả các
cửa thải thì kết thúc giai đoạn lọt khí (đường ka trên đồ thức chỉ thị).
Piston tiếp tục đi lên điểm chết trên, giai đoạn này làm nhiệm vụ nén khí,
quá trình xảy ra tương tự như trong động cơ 4 kỳ (đường ac trên đồ thức chỉ thị).
Áp suất và nhiệt độ khí nén tăng lên rất nhanh. Khi piston đến gần điểm chết trên
thì nhiên liệu được phun vào xilanh dưới dạng sương mù qua vòi phun.
Hành trình thứ hai:
Nhiên liệu phun vào xilanh gặp khí nén có nhiệt độ cao sẽ tự bốc cháy. Một
phần nhiên liệu cháy ở thể tích không đổi theo đường (cz'), phần còn lại cháy theo
áp suất không đổi (theo đường z'z) tiếp đó diễn ra quá trình giãn nở sản phẩm cháy
(đường ze). Sản phẩm cháy giãn nở rất mạnh đẩy piston đi xuống làm quay trục
khuỷu thực hiện giai đoạn sinh công.
KHOA MÁY TÀU THỦY

19


022011 – MTT – BGCT - MTT

Khi piston đi xuống được một đoạn thì mở cửa thải trước bằng mép của
chúng (tại điểm e). Khí thải trong xilanh sẽ tự do xả ra ngoài làm áp suất trong
xilanh giảm xuống gần bằng áp suất bên ngoài. Giai đoạn này gọi là giai đoạn xả tự
do. (giai đoạn xả tự do rất cần thiết, phải tính toán sao cho đủ thời gian để hạ áp
suất trong xilanh xuống thấp hơn áp suất khí nạp trước khi piston bắt đầu mở các

cửa nạp). Giai đoạn này biểu thị bằng đường ek.
Piston đi xuống một đoạn nữa thì mở các cửa nạp (ứng với điểm k) khí nạp
lại được thổi vào xilanh lùa khí thải ra thực hiện đẩy cưỡng bức khí thải và thay khí
mới chuẩn bị cho quá trình sau.

Hình 2- 13 : Đồ thị công chỉ thị của động cơ 2 kì
-

 Nhận xét:
Trong hai hành trình của piston có một hành trình sinh công.
Mỗi hành trình của piston không làm riêng một nhiệm vụ như ở động cơ
bốn kỳ mà làm nhiều nhiệm vụ.

Hành trình 1: Làm các nhiệm vụ xả, nạp, nén.
Hành trình 2: làm các nhiệm vụ sinh công, xả, nạp.

KHOA MÁY TÀU THỦY

20


022011 – MTT – BGCT - MTT

Trong hành trình 1, giai đoạn xả khí sót (lọt khí) là không có lợi vì nó làm tổn
thất một phần khí nạp. Giai đoạn này càng nhỏ càng tốt nhưng lại phụ thuộc vào
giai đoạn xả tự do của hành trình 2.
2.6.3: Sơ đồ cấu tạo của động cơ diesel 2 kỳ quét thẳng
Động cơ có supap xả bố trí trên nắp xilanh được điều khiển bằng một cơ cấu
phân phối trích từ trục khuỷu. Các cửa nạp được bố trí xung quanh trên thành
xilanh, hướng vát lên trên để tạo hướng đi của dòng khí thẳng từ ĐCD lên ĐCT.

Việc đóng mở các cửa nạp do piston đảm nhiệm. Bắt buộc phải có cơ cấu tăng áp
khí nạp.

Hình 2- 14 : Nguyên lí kết cấu của động cơ 2 kì quét thẳng
2.6.4: Nguyên lý hoạt động của động cơ diesel 2 kỳ quét thẳng
 Hành trình thứ nhất:
Piston đi từ ĐCD lên ĐCT, các cửa nạp và supap xả đều mở, hành trình này
làm các nhiệm vụ quét khí, nạp khí, nén khí và phun nhiên liệu như ở động cơ quét
vòng. Chỉ khác động cơ quét vòng ở chỗ giai đoạn lọt khí (xả khí sót) ở động cơ này

KHOA MÁY TÀU THỦY

21


022011 – MTT – BGCT - MTT

có thể điều chỉnh được (rất nhỏ hoặc bằng không, thậm chí có thể cho supap xả
đóng trước khi đóng cửa nạp).
 Hành trình thứ 2:
Làm các nhiệm vụ giãn nở sinh công, xả tự do, quét khí tương tự động cơ
quét vòng, nghĩa là sau giai đoạn sinh công thì supap xả được mở trước, các cửa
nạp mở sau.
Hai dạng quét khí chủ yếu là quét vòng và quét thẳng. Tùy theo việc bố trí các
cửa quét mà người ta chia hệ thống quét vòng thành quét vòng đặt ngang, quét
vòng đặt một bên, quét vòng đặt xung quanh hay quét vòng hỗn hợp. Còn hệ thống
quét ngang được chia thành quét song song, quét hướng tâm hay quét theo hướng
tiếp tuyến.

2.7: So sánh động cơ diesel 2 kỳ và động cơ diesel 4 kỳ

Qua nghiên cứu cấu tạo và hoạt động của động cơ 4 kỳ và 2 kỳ cho thấy mỗi
loại đều có ưu nhược điểm, có thể so sánh như sau:
Nếu hai động cơ có cùng các kích thước đường kính xilanh D, hành trình
piston S, cùng số vòng quay n và cùng số xilanh thì về mặt lý thuyết công suất của
động cơ 2 kỳ có thể lớn gấp đôi công suất của động cơ 4 kỳ (theo công thức N=) vì
tiêu thụ nhiên liệu gấp hai và số lần sinh công cũng gấp hai động cơ 4 kỳ. Nhưng
thực tế động cơ hai kỳ có công suất chỉ lớn hơn 1,6 -1,8 lần công suất của động cơ
bốn kỳ vì những lý do sau:
-

Tổn thất công suất để lai bơm quét khí.
Một phần hành trình của piston của động cơ hai kỳ dùng để nạp và thải
khí; có một phần khí nạp mới bị lọt ra ngoài khi cửa quét đã đóng mà cửa

-

thải vẫn mở.
Thải khí không sạch, nạp khí không đầy nên cháy không tốt.

Quá trình quét sạch khí thải và nạp khí mới vào xilanh 4 kỳ tiến hành hoàn
hảo hơn động cơ 2 kỳ vì các quá trình này được tiến hành trong hai hành trình của
piston.

KHOA MÁY TÀU THỦY

22


022011 – MTT – BGCT - MTT

Động cơ 2 kỳ cấu tạo đơn giản hơn, nhất là khi sử dụng sơ đồ quét vòng vì
không có các supap nạp, thải và bộ phận dẫn động chúng. Tuy vậy để thực hiện việc
trao đổi khí cần phải có bơm quét khí.
Mô men quay tác dụng lên trục khuỷu của động cơ hai kỳ so với động cơ 4 kỳ
có cùng số xilanh thì đều đặn hơn vì số hành trình sinh công nhiều hơn.
Ứng suất nhiệt của các chi tiết động cơ 2 kỳ, đặc biệt là nhóm piston - xilanh
cao hơn ở động cơ 4 kỳ vì số hành trình sinh công nhiều hơn, nhiệt độ bình quân
trong xilanh lớn hơn.
Động cơ 4 kỳ có thể thay đổi được góc phân phối dễ dàng hơn so với động cơ
2 kỳ, vì chỉ cần thay đổi vị trí của mặt cam trên trục phân phối là có thể thay đổi góc
mở sớm, góc đóng muộn khác nhau.
Góc ứng với quá trình cháy và giãn nở của động cơ 4 kỳ lớn hơn của động cơ
2 kỳ (ở động cơ 4 kỳ khoảng 140o, còn ở động cơ 2 kỳ khoảng 100 - 120o).
Động cơ 4 kỳ có thể tăng công suất bằng phương pháp tăng áp đơn giản hơn
vì ứng suất nhiệt của xilanh nhỏ hơn và hệ thống tăng áp cũng đơn giản hơn.
Tính kinh tế của động cơ 4 kỳ và 2 kỳ gần như nhau trừ trường hợp cá biệt
đối với động cơ 4 kỳ tăng áp cao có thể đạt mức tiêu hao nhiên liệu khoảng
140g/kWh

2.8: Phạm vi ứng dụng
Động cơ cỡ bé ít dùng 2 kỳ vì khó thải sạch khí do đó hiệu suất thấp, tốn
nhiên liệu.
Động cơ cỡ lớn ít dùng 4 kỳ mà thường dùng 2 kỳ vì kích thước động cơ
nhỏ gọn hơn nhiều.

2.9: Kết cấu của động cơ diesel
2.9.1: Kết cấu phần tĩnh động cơ diesel
Phần tĩnh của động cơ diesel bao gồm những bộ phận chính sau đây:
-

Nắp xilanh.

KHOA MÁY TÀU THỦY

23


022011 – MTT – BGCT - MTT

-

Xilanh.
Thân máy.
Bệ máy.

Những phần này liên kết chặt chẽ với nhau thành một khối thống nhất cứng
vững, là điểm tựa cho động cơ hoạt động. Phần tĩnh chiếm khoảng 70% trọng
lượng động cơ.
2.9.1.1 Nắp xilanh
 Nhiệm vụ:
Nắp xilanh cùng với sơmi xilanh và đỉnh piston tạo thành buồng đốt, quyết
định hình dáng và thể tích buồng đốt. Cố định sơmi xilanh.
Dùng làm vị trí để lắp đặt nhiều chi tiết khác như vòi phun, van an toàn, bố
trí các đường nạp và thải khí (động cơ 4 kỳ) hoặc đường thải khí (động cơ 2 kỳ),
van khởi động…
Nắp xilanh làm việc trong điều kiện tương đối phức tạp. Mặt dưới của nắp
xilanh tiếp xúc với khí cháy nên chịu áp suất và nhiệt độ cao, bị ăn mòn. Chịu lực
nén do xiết đai ốc các bu lông liên kết các bulông liên kết với xilanh, chịu ứng suất
nhiệt lớn do sự chênh lệch nhiệt độ nhiều giữa các bề mặt làm việc. Chịu mài mòn
và va đập (tại bệ đặt supap), chịu ăn mòn do nước làm mát và khí xả.

KHOA MÁY TÀU THỦY

24


022011 – MTT – BGCT - MTT

Hình 2- 15: Nắp xilanh của động cơ 2 kì quét thẳng
 Cấu tạo:
Nắp xilanh của động cơ diesel là chi tiết có cấu tạo tương đối phức tạp, được
chế tạo bằng phương pháp đúc. Hình dáng bên ngoài của nắp xilanh thường là
khối hộp có đáy hình vuông, chữ nhật, hình tròn hoặc lục giác ... Có thể đúc liền các
nắp xilanh riêng rẽ thành một khối chung đối với động cơ cỡ nhỏ.
Nắp xilanh động cơ cỡ lớn được đúc rời cho từng xilanh. Có trường hợp còn
được ghép bằng hai nửa (nửa dưới bằng thép chịu nhiệt hoặc hợp kim tốt hơn,
còn nửa trên bằng kim loại thường). Nếu động cơ làm việc với cường độ cao,
người ta đưa buồng đốt lên trên nắp xilanh.
Nắp xilanh ở phía buồng cháy chịu áp suất và nhiệt độ cao. Để đưa nhiệt ra
ngoài trong nắp xilanh có các hốc nước làm mát. Nước được đưa từ áo nước ở nắp
xilanh theo ống dẫn nước đi bao quanh những vùng, những bề mặt cần làm mát và
được đưa ra ngoài.

KHOA MÁY TÀU THỦY

25