NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ DIESEL

Trang 1
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Mục tiêu đề tài.
- Việt Nam là một trong các nước có ngành công nghiệp tàu thủy phát triển với
tiềm năng sẵn có là bờ biển dài thì lợi thế này càng thúc đẩy sự phát triển của đội
tàu trong tương lai. Trong ngành khai thác tàu biển luôn đòi hỏi phải hội nhập, áp
dụng các tiến bộ khoa học để đáp ứng theo các công ước và tiêu chuẩn quốc tế đề
ra.
- Trước tình hình kinh tế ngày càng khó khăn đứng trước nguồn năng lượng dầu
mỏ ngày càng cạn kiệt việc tiết kiệm và quản lý năng lượng đã được thế giới quan
tâm. Việc quản lý giảm chi phí các nguồn năng lượng, chi phí cho nhiên liệu đã và
đang là điều kiện tối cần thiết và là trụ cột đứng vững cho các công ty tàu biển Việt
nam hiện nay.
- Xuất phát từ sự cấp thiết trên việc nghiên cứu tìm hiểu động cơ Diesel tàu thủy
trang bị tổ hợp TB-MN loại VTG nhằm nâng cao hiệu suất của tổ hợp TB-MN, tối
ưu hóa quá trình cháy trong động cơ diesel đặc biệt trong các chế độ tải nhỏ, tải bộ
phận mà trước đó các loại tua bin khác chưa đạt được.
- Được sự hướng dẫn tận tình của TS. Bùi Hồng Dương các thầy giáo trong khoa
máy trường đại học giao thông vận tải Hồ Chí Minh kết hợp với sự tìm hiểu nghiên
cứu của bản thân tôi đã đệ trình hội đồng khoa học trường đề tài với nội dung như
sau:
NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ DIESEL ĐƯỢC LẮP ĐẶT TB-MN LOẠI
VTG, TÍNH HIỆU SUẤT CỤM TB-MN VTR KHI GÓC CÁNH HƯỚNG
DÒNG THAY ĐỔI.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Trang 2
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

- Và được hội đồng xét duyệt đề tài chấp nhận và cho phép bảo vệ.
- Với nội dung của đề tài như trên, thì mục tiêu của đề tài đặt ra bao gồm:
+ Dựa trên cơ sở lý thuyết của động cơ Diesel tàu thủy, lý thuyết về Tuabin tăng
áp của động cơ Diesel tàu thủy từ đó nghiên cứu các biện pháp nhằm tăng công
suất của động cơ nâng cao hiệu quả kinh tế, an toàn, giảm suất tiêu hao nhiên liệu,
giảm ô nhiễm khí thải (SOx, Nox) ra môi trường.
+ Dựa trên cơ sở lý thuyết về tăng áp động cơ Diesel tàu thủy, đặc tính khai thác
của động cơ từ đó tìm các phương pháp phối hợp nhằm tăng hiệu suất của tổ hợp
TB-MN điều đó đồng nghĩa với việc tăng công suất động cơ Diesel.
+ Dựa vào lý thuyết và nguyên lý phối hợp làm việc giữa động cơ Diesel và tăng
áp của động cơ Diesel tàu thủy, phối hợp làm việc giữa tổ hợp TB-MN và động cơ
Diesel tìm ra vùng khai thác kinh tế, an toàn và tối ưu nhất.
+ Nghiên cứu lập trình tính toán hiệu suất của cụm TB-MN VTR khi góc cánh
hướng dòng thay đổi. Từ đó giúp người vận hành, điều chỉnh chọn chế độ khai
thác tối ưu sao cho vừa phát huy tối ưu công suất của cụm Tuabin máy nén vừa
nâng cao công suất của động cơ Diesel, hệ động lực ở các điều kiện khai thác khác
nhau nhằm phát huy tận dụng tối đa công suất của tổ hợp TB-MN đặc biệt ở chế
độ nhỏ tải, tải bộ phận từ đó duy trì công suất và cải thiện quá trình cháy cho động
cơ Diesel.
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài.
- Trên thế giới có nhiều công trình khoa học kỹ thuật về khoa học nghiên cứu về
hệ động lực các thiết bị phụ trong động cơ Diesel nhằm tối ưu quá trình cháy trong
động cơ Diesel, nâng cao hiệu quả kinh tế, an toàn, giảm suất tiêu hao nhiên liệu
và độc tố khí thải chủ yếu là Nga và Balan.. Ngoài ra còn hầu hết là các hướng dẫn
của nhà chế tạo và các báo cáo kỹ thuật.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Trang 3
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

- Liên quan đến các công trình nghiên cứu về khai thác về hệ động lực tàu thủy
gồm có luận án của TS. Lê Viết Lượng nghiên cứu về sự thay đổi các thông số
công tác của động cơ ở các chế độ chuyển tiếp, luận án của thạc sĩ kỹ thuật của TS.
Bùi Hồng Dương nghiên cứu phối hợp Tuabin tăng áp với động cơ chính ở các chế
độ khai thác đặc biệt, luận án thạc sĩ kỹ thuật TS. Trương Thanh Dũng nghiên cứu
ở chế độ khai thác đặc biệt khi ngắt Xilanh, thạc sĩ kỹ thuật TS. Lê Văn Vang
nghiên cứu ở các chế độ tăng tốc tàu...
- Các đội tàu biển quốc tế hiện nay, động cơ diesel đã được hiện đại hóa không
ngừng điều này nhằm mục đích tăng công suất, giảm được suất tiêu hao nhiên liệu
và khí thải ra môi trường. Đây là vấn đề cấp thiết, là một trong các yếu cầu quan
trọng để phát triển và hội nhập của ngành hàng hải. Mức độ tự động hóa ngày càng
cao cũng được áp dụng cho các động cơ Diesel tàu thủy hiện đại ngày nay.Việc tối
ưu hóa quá trình cháy làm giảm chi phí về suất tiêu hao nhiên liệu, giảm các độc tố
gây ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính đáp ứng đòi hỏi theo các tiêu chuẩn
quốc tế Tier II, Tier III.
1.3 Tính mới, tính khoa học, tính cấp thiết.
- Trong nội dung đề tài này đã nghiên cứu và chỉ ra được sự khác biệt, chứng
minh những ưu điểm và lợi ích của tổ hợp TB-MN loại VTG khi trang bị trên các
động cơ Diesel hiện đại. Khi sử dụng loại Tuabin này làm tăng công suất của động
cơ.Việc đánh giá hiệu quả tăng áp của tổ hợp TB-MN được thuận lợi hơn khi tính
được hiệu suất của tổ hợp TB-MN VTR tương ứng với góc cánh hướng dòng thay
đổi tại các chế độ khai thác của động cơ Diesel. Đây là vấn đề thường gặp trong
quản lý khai thác kỹ thuật tàu biển của Việt Nam mà bấy lâu nay cũng đang gặp
khó khăn khi đánh giá hiệu quả tăng áp của tổ hợp TB-MN tương ứng với sự thay
đổi của tải. Mặt khác nghiên cứu, tìm các biện pháp tối ưu nhất để giảm suất tiêu
hao nhiên liệu cho động cơ khi sử dụng tương thích với tổ hợp TB-MN luôn là mối

lưu tâm của các nhà khoa học những người vận hành khai thác. Từ những kết quả
đạt được giúp người khai thác, vận hành lựa chọn các chế độ khai thác tối ưu
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------


Trang 4
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

tương ứng với sự thay đổi góc cánh sao cho hiệu suất của tổ hợp TB-MN đạt được
là lớn nhất tương ứng với từng chế độ.
- Trước đó tại mỗi chế độ hoạt động của động cơ Diesel thì cho ra một chế độ hoạt
động của tổ hợp TB-MN. Tuy nhiên sự hoạt động này thường không tương thích
với nhau và hiệu suất của tổ hợp TB-MN thường phản ứng chậm hơn. Các thông
số trong Tuabin không đáp ứng kịp khi động cơ khai thác ở chế độ tải thấp, tải bộ
phận, lúc đó vai trò của tăng áp không phát huy được hiệu quả dẫn đến quá trình
cháy trong động cơ Diesel chưa hoàn hảo và chưa đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế và
an toàn và tiết kiệm nhiên liệu.
1.4 Phương pháp nghiên cứu.
- Dựa trên lý thuyết tăng áp, phối hợp lý thuyết động cơ Diesel, các công thức
toán học từ đó lập trình tính toán hiệu suất cho tổ hợp TB-MNVTR khi góc cánh
hướng dòng thay đổi.
1.5 Khả năng ứng dụng của đề tài.
- Với đòi hỏi của các công ước mới kèm theo những yêu cầu khắt khe cần phải
giảm độc tố khí thải trong động cơ Diesel. Khả năng tự điều chỉnh linh hoạt tỷ lệ
không khí nhiên liệu làm tối ưu hóa quá trình cháy bằng cách cung cấp khí hoặc
hỗn hợp khí vào động cơ một cách chính xác với mọi tải tương ứng. Đó chính là
ứng dụng lớn nhất khi nghiên cứu tổ hợp TB-MN loại VTG.
- Khả năng ứng dụng của đề tài có thể áp dụng rộng rãi nhằm tối ưu hóa quá trình
cháy, tăng công suất trong động cơ Diesel, giảm suất tiêu hao nhiên liệu.
- Khả năng tích hợp giữa VTG với thiết bị khác một cách ( Thiết bị tuần hoàn khí

xả - EGR ( Exhaust gas recirculation), bơm cao áp trang bị thiết bị tự động chỉnh
góc phun sớm –VIT ( Variable injection timing ) trên các động cơ Diesel hiện đại
là một trong các biện pháp nhằm tăng công suất, giảm suất tiêu hao nhiên liệu.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------


Trang 5
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

- Tích hợp với điện điều khiển động cơ, VTG cho phép tối ưu hóa và đơn giản hóa
trong hệ thống, giảm lương hydrocacbon không cháy được (UHC), khí CO đặc biệt
là NOx.
- Sử dụng van điều khiển VTG làm đơn giản và tối ưu hóa tất cả các hệ thống.
Trong động cơ hai kỳ VTG cho phép tắt quạt gió phụ khi ở tải thấp.
- Kết quả của nghiên cứu của đề tài ứng dụng cho nghiên cứu, tài liệu bổ ích cho
người quản lý, sỹ quan vận hành khai thác tàu.
- Ngày nay các tiến bộ khoa học, tự động hóa đã được trang bị trên động cơ Diesel
hiện đại. Do vậy khi khai thác hệ động lực tính kinh tế, hiệu quả, an toàn ở các chế
độ đặc biệt, chế độ nhỏ tải là vấn đề được đặt ra. Khi nghiên cứu tổ hợp TB-MN
VTG đã giải quyết vấn đề nêu trên.

Giới hạn đề tài.
- Tối ưu hóa quá trình cháy của động cơ Diesel đồng thời nghiên cứu các biện
pháp nâng cao công suất, Nghiên cứu áp dụng điều khiển, tự động hóa các động cơ
Diesel tàu thủy đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới các hãng chế tạo tập
trung nghiên cứu, Trong luận án này tác giả tìm hiểu và nghiên cứu một loại tổ hợp
TB-MN VTR có trang bị VTG của hãng ABB đã được áp dụng trên một số hãng
tàu hiện đại và đã mang lại rất nhiều lợi ích. Tính hiệu suất của tổ hợp TB –MN
VTR khi góc cánh hướng dòng thay đổi.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------


Trang 6
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

CHƯƠNG 2
LÝ THUYẾT CHUNG TĂNG ÁP
2.1 Giới thiệu chung về tăng áp cho động cơ Diesel tàu thủy.
2.1.1 Tăng áp là gì.
- Tăng áp là phương pháp tăng công suất của động cơ Diesel dựa trên tăng lượng
không khí nạp vào xylanh động cơ trong quá trình nạp tương ứng với việc tăng
lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình khi giữ nguyên kích thước cơ bản của động
cơ.
- Việc tăng công suất của động cơ Diesel nhờ tăng áp so với động cơ ở điều kiện
chưa tăng áp được đánh giá thông qua hệ số : λTA được gọi là mức độ tăng áp:
+ Hệ số mức độ tăng áp thể hiện qua biểu thức sau :
λTA = PeTA/ Pe
Trong đó:
Pe: Áp suất có ích bình quân của động cơ chưa tăng áp.
Pe TA : Áp suất có ích bình quân.
λTA: Có giá trị phổ biến và tối ưu (1.5-2.5).
2.1.2 Mục đích tăng áp trong động cơ Diesel tàu thủy.
- Mục đích cơ bản của tăng áp cho động cơ Diesel là làm tăng công suất của nó
tăng lên nhưng đồng thời tăng áp còn cho phép cải thiện một số chỉ tiêu sau:
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------


Trang 7
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

- Tăng công suất động cơ so cùng kích cỡ và tốc độ piston, hay ngược lại giảm
đáng kể kích cỡ và trọng lượng động cơ so với động cơ có cùng công suất không
tăng áp:
+ Giảm giá thành sản xuất ứng với một đơn vị công suất.
+ Giảm trọng lượng riêng của toàn bộ động cơ ứng với một đơn vị công suất.
+ Giảm thể tích toàn bộ của động cơ đốt trong ứng với một đơn vị công suất.
+ Giảm đáng kể tỉ lệ tiêu thụ nhiên liệu cụ thể ở trên phạm vi tải của động cơ.
+ Tăng độ làm việc tin cậy và giảm chi phí bảo dưỡng động cơ.
+ Khí thải sạch hơn.
+ Nâng cao khai thác động cơ một cách linh hoạt.
+ Hiệu suất của động cơ tăng, đặc biệt ở tăng áp bằng Tuabin khí xả và do đó suất
tiêu hao nhiên liệu giảm.
+ Giảm độ ồn của động cơ.
- Qua xem xét và so sánh những động cơ tăng áp và không tăng áp ở cùng một
hãng sản xuất ta rút ra những ưu việt sau đây của động cơ tăng áp khi có cùng công
suất:
+ Trọng lượng động cơ nhỏ hơn và thể tích động cơ nhỏ hơn.
+ Nếu dùng Tuabin khí tận dụng năng lượng khí xả để dẫn động Máy nén tăng áp
thì hiệu suất động cơ cao hơn hẳn.
+ Lượng nhiệt mất cho môi trường lám mát ít hơn, cơ cấu làm mát nhỏ hơn.
+ Giá thành của động cơ thấp hơn.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------


Trang 8
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

+ Tuabin đặt trên đường thải nên bản thân nó là bộ phận giảm âm tốt cho động cơ.
+ Công suất của động cơ tăng áp bằng Tuabin khí bị giảm ít hơn khi mật độ không

khí của môi trường giảm.
+ Giảm lượng khí xả độc hại (NOx…).
- Tuy nhiên càng nâng cao mức độ tăng áp, động cơ Diesel được cường hóa nhanh
về Pe sẽ làm tăng phụ tải cơ học cũng như phụ tải nhiệt của động cơ, do đó phải đặt
ra những yêu cầu khắt khe khi chế tạo các chi tiết của nhóm pittông, các loại bạc
trục, xupáp, nắp xilanh… ngoài ra cũng đòi hỏi tạo ra hệ thống phun nhiên liệu mới
hoàn hảo hơn, vòi phun có áp suất phun cao hơn và hệ thống tăng áp Tuabin khí
hoàn hảo hơn.
2.2 Tăng áp trong động cơ Diesel 2 kỳ và động cơ 4 kỳ.
2.2.1 Tăng áp trong động cơ Diesel 2 kỳ.
- Nhìn vào nhiều giai đoạn phát triển của tăng áp trên động cơ 2 kì đã qua thật đáng
quan tâm. Để cho đơn giản ta xét đến động cơ hai kì quét thẳng (với cửa nạp và
xupáp xả).
- Sự cung cấp khí của động cơ 2 kỳ không Tuabin tăng áp được cung cấp bởi bơm
quét. Sau đó Tuabin - máy nén tăng áp VTR..0 được sử dụng theo 2 đường phát
triển động cơ, một vẫn giữ bơm quét và một bỏ chúng nhưng dùng hệ thống xung
áp để thu được đủ năng lượng cho TB-MN qua toàn bộ tải và phạm vi tốc độ của
động cơ. Bố trí điển hình của tổ hợp TB-MN tăng áp được trình bày trên hình 2.1 và
hình 2.2.
- So sánh sự định thời cửa nạp và xả cho hệ thống tăng áp đẳng áp có bơm quét khí
với hệ thống tăng áp xung áp không có bơm quét khí.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------


Trang 9
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Hình 2.1& 2.2: Sơ đồ của động cơ 2 kì đặc trưng tăng áp xung áp và đẳng áp.
- Ưu điểm của hệ thống tăng áp xung áp là không có hệ thống cơ khí, đảm bảo sự

cấp không khí trong phạm vi tải động cơ. Đây cũng là hiệu suất cơ khí cao của tổ
hợp TB-MN tăng áp. Năng lượng khí xả cần được giữ lại bằng cách mở xupáp xả
sớm. Tuy nhiên điều này giảm bớt quá trình giãn nở có ích của động cơ.
- Động cơ với bơm quét và tăng áp đẳng áp đặc trưng có thể làm điểm mở xupáp xả
muộn hơn nhiều, nhưng lại lấy một phần năng lượng cho sự cấp khí từ trục khuỷ,
động cơ phải lai bơm quét của chính nó. Do đó suất tiêu hao nhiên liệu của những
loại động cơ này không có khác biệt về cơ bản, lượng này tới (150-155) g/bhph
(204-211 g/kWh).

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------


Trang 10
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

- Từ trên, rõ ràng kết hợp tăng áp đẳng áp và không có bơm quét sẽ cải thiện suất
tiêu hao nhiên liệu. Điều này có thể được với các tổ hợp TB-MN tăng áp có hiệu
suất cao VTR..1 hay MET được giới thiệu thập niên 70. Chuyển từ tăng áp xung
sang tăng áp đẳng áp trên động cơ B&W đến là hướng đúng, và suất tiêu hao nhiên
liệu giảm mong đợi (Hình 2.3) và lắp đặt thêm một quạt gió phụ lai bởi động cơ
điện có để sử dụng khi khởi động động cơ và khi tải thấp.

g/bhph

12

9
∆be

6

3

0

95

90

Xả85
sớm hơn80ĐCD CA

Hình 2.3: Chuyển TA xung sang TA đẳng áp-Cải thiện suất tiêu hao nhiên liệu khi
mở xu páp xả sớm hơn ĐCD.
- Hiệu suất cao và tỉ số tăng áp cao hơn với TB-MN tăng áp ngày nay cho phép
tăng hơn công suất và giảm suất tiêu hao nhiên liệu. Đạt được tốt hơn về nhiệt động
học của chu trình trong động cơ Diesel. Tổ hợp tăng áp VTR..4D (kết hợp tỉ số áp
suất cao và hiệu suất cao) đáp ứng nhu cầu hiện nay của các nhà chế tạo động cơ
(đặc trưng thực tế: tỉ số nén 3.7:1, áp suất có ích bình quân 18-19 bar).

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------


Trang 11
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

- Các hệ số tổ hợp TB-MN tăng áp, seri TPL của hãng ABB, seri MET-MA của
hãng Mitsubishi, seri TCA của hãng Man lắp đặt trên động cơ 2 kì cỡ lớn đang
được giới thiệu với tỉ số tăng áp và hiệu suất cao sẽ cho phép cải thiện hơn công
suất động cơ và lượng tiêu thụ nhiên liệu.
2.2.2 Tăng áp cho động cơ Diesel 4 kì.

- Tăng áp của động cơ 4 kì, đã có ảnh hưởng bởi tính có lợi của tổ hợp TB-MN
tăng áp. Trong khi động cơ 4 kì tự hút, nó không phụ thuộc vào hiệu suất tổ hợp
TB-MN. Vậy điều gì làm cho tăng áp động cơ là cần thiết vì tổ hợp TB-MN tăng áp
cho phép:
+ Tăng công suất của động cơ cho ở một tốc độ xác định, áp suất nạp toàn bộ cung
cấp bằng TB-MN.
+ Giảm không gian yêu cầu khi thiết lập một công suất động cơ cụ thể.
+ Giảm suất tiêu hao nhiên liệu.

Hình 2.4: Sự tăng tỷ số tăng áp theo thời gian.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------


Trang 12
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

- Tỉ số nén Máy nén tăng qua từng năm biểu thị ở hình 2.4. Trong 20 năm, tỉ số
tăng từ 1.3 tới 2 lần so với năm 1970. Ban đầu, động cơ 4 kì đã cho áp suất nén là
35 bar và áp suất cháy cực đại là 50 bar. Để đạt được một áp suất nạp là 0.3 bar, tỉ
số nén của động cơ sẽ giảm khoảng từ 13.4 xuống 11.1. Áp suất nén và cháy cực
đại được giữ nguyên nhưng công suất ra tăng hơn 30%.
- Thành tựu đạt được, các nhà chế tạo động cơ đã thiết kế các tổ hợp TB-MN áp
suất tăng áp cao hơn. Đưa sinh hàn gió vào nhằm giảm nhiệt độ của gió nén đưa vào
xilanh động cơ giúp tăng công suất tại mức áp suất tăng áp trung bình hơn (Ví dụ:
áp suất bình quân có ích là 10 bar, áp suất tăng áp là 0,6 bar có khí sinh hàn gió và
0,85 bar không có sinh hàn gió, xét ở cùng lượng khí nạp (kg) vào xilanh, khi không
có sinh hàn gió thì nhiệt độ khí xả sẽ có 50oC cao hơn so với có sinh hàn gió).
- Hình 2.5. Sự khác biệt trên đồ thị công chỉ thị của động cơ 4 kì có và không tăng
áp. Từ sơ đồ này ta dễ dàng thấy rằng động cơ tăng áp có nhiều ưu điểm lớn. Trên

đồ thị P-V, vùng làm việc có ích tăng lên đáng kể. Xét động cơ không tăng áp, chỉ
có vùng làm việc không có ích được thể hiện.

Hình 2.5: So sánh đồ thị công chỉ thị của động cơ 4 kỳ-có và không tăng áp.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------


Trang 13
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

- Đây cũng là lý do cho hiệu suất cơ của động cơ tăng ổn định cùng với mức độ của
tăng áp. Cùng với các yếu tố ý nghĩa đó, động cơ tăng áp sẽ cho suất tiêu hao nhiên
liệu thấp với mức độ tăng áp tăng. Thêm vào đó, kết hợp nhiên liệu động học của
chu trình Diesel và hệ thống phun nhiên liệu tốt hơn sẽ giúp về cơ bản giảm suất
tiêu hao nhiên liệu của động cơ Diesel.
- Với sự tăng ổn định của áp suất có ích bình quân, nhiệt độ khí xả thu được xấp xỉ
không đổi do áp suất tăng áp cao hơn. Điều này và sự làm mát của không khí sẽ
tăng mật độ (khối lượng riêng) của không khí đi vào xilanh. Bằng cách này, tỉ số
của không khí trên nhiên liệu sẽ được duy trì không đổi ít hoặc nhiều. Sự phân phối
nhiệt lượng cấp sinh ra từ nhiên liệu, tuy nhiên, thay đổi đáng kể với khi tăng mức
độ tăng áp. Điều này được minh họa ở hình 2.6.

Hình 2.6: Sự phân phối của nhiệt lượng khí đốt khi tăng mức độ tăng áp.
- Nhiệt trong dầu bôi trơn tượng trưng cho công suất cần khắc phục sự ma sát động
cơ.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------


Trang 14

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

- Hiệu suất cơ giới của động cơ. Nhiệt theo nước làm mát là tương đương với tải
nhiệt của các thành phần cấu trúc buồng đốt. Với tăng áp, chúng ta thành công trong
sự duy trì dòng nhiệt theo nước làm mát, trong điều kiện hoàn toàn, xấp xỉ không
đổi, điều này độc lập lớn với mức độ tăng áp. Điều này cũng là một điều thành công
quan trọng của tăng áp. A. Buchi đã đề cập tới trong bài giảng của ông năm 1928,
và nó vẫn đúng đến ngày nay. Được giải thích đơn giản trên hình 2.7.

Hình 2.7: Trao đổi nhiệt qua thành vách sơ myxilanh.
- Hệ số truyền nhiệt từ khí xả tời thành vách phụ thuộc vào áp suất. Hệ số truyền
nhiệt qua thành vách và từ thành vách tới nước làm mát khó thay đổi. Nhiệt độ quá
trình vẫn còn bằng mức như không tăng áp (tỉ số nhiên liệu- không khí) và các diện
tích bề mặt còn tương tự, dòng nhiệt tới nước làm mát sẽ không có thay đổi nhiều.
2.3 Các phương pháp tăng áp cho động cơ Diesel tàu thủy.
- Động cơ Diesel nếu khí nạp trước khi nạp vào xilanh được nén đến một áp suất
nào đó thì được gọi là động cơ Diesel tăng áp. Trong động cơ tăng áp, người ta có
thể sử dụng Máy nén thể tích hoặc cánh dẫn để nén không khí nạp. Các Máy nén có
thể được dẫn động động trực tiếp từ động cơ, dùng động cơ điện hoặc dùng Tuabin
khí xả. Tùy theo việc dẫn động Máy nén, người ta phân biệt các hình thức: tăng áp
cơ khí (hoặc cơ giới), tăng áp Tuabin khí Máy nén và tăng áp hỗn hợp.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------


Trang 15
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2.3.1 Tăng áp bằng dẫn động cơ khí.
- Các loại máy nén được sử dụng trong phương pháp tăng áp này có thể là máy nén
kiểu pittông, trục xoắn, quạt ly tâm hoặc quạt hướng trục được dẫn động từ trục

khuỷu của động cơ.

5

4
3

1

2

Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý tăng áp cơ khí; 1-Động cơ; 2 Bánh răng truyền động;
3. Máy nén; 4.Đường nạp; 5. Sinh hàn.
- Trong tăng áp dẫn động cơ khí thì công suất của động cơ được xác định theo quan
hệ như sau:
Ne= Ni – Nm – Nk (2-1)
+ Trong đó: Ne: Công suất có ích; Ni: Công suất chỉ thị; Nm: Tổn thất cơ giới; Nk:
Công suất để dẫn động Máy nén.
+ Từ công thức (2-1), công suất có ích được lấy ra từ trục khuỷu của động cơ Ne
có được từ công suất chỉ thị Ni khi bị khấu trừ đi tổn thất cơ giới của bản thân động
cơ Nm và công suất Nk để dẫn động Máy nén.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------


Trang 16
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

+ Nhận xét: Công suất dẫn động máy nén chỉ phụ thuộc vào số vòng quay của nó,
nếu động cơ làm việc ở chế độ nhỏ tải thì số phần trăm công suất tổn thất cho việc
dẫn động Máy nén tăng lên làm giảm mạnh hiệu suất tổng của động cơ. Công suất

dẫn động Máy nén tăng nhanh hơn tốc độ tăng áp chỉ thị pi, vì vậy, khi sử dụng tăng
áp dẫn động cơ khí làm cho hiệu suất động cơ giảm khí áp suất tăng áp tăng.
• Ưu điểm tăng áp cơ khí là đảm bảo được không khí cung cấp cho động cơ
khi thay đổi chế độ khai thác động cơ.
• Nhược điểm của phương pháp này là phải chi phí công để dẫn động Máy
nén, khi công dẫn động Máy nén vượt quá 10% công suất chỉ thị thì hiệu quả tăng
áp không cao và suất tiêu hao nhiêu liệu tăng ge > 180g/(mlci.h). Tính đến các chỉ
tiêu kinh tế kỹ thuật, người ta chỉ áp dụng tăng áp cơ khí cho các động cơ có áp suất
tăng áp pk < 1.5÷1.6 kG/cm2.
2.3.2 Tăng áp bằng tổ hợp Tua bin - Máy nén (TB-MN).
- Tăng áp tua bin khí xả lai Máy nén (TB-MN) là phương pháp dùng tua bin làm
việc nhờ sử dụng năng lượng khí xả lai Máy nén gió kiểu ly tâm được gắn đồng trục
với roto tua bin. Khí xả của động cơ có áp suất và nhiệt độ rất cao nên nhiệt năng
của nó tương đối lớn.
- Trên hình 2.16 thể hiện sơ đồ khối động cơ Diesel tăng áp bằng TB-MN. Khí xả
sau khi ra khỏi động cơ có thể qua bộ biến đổi sơ bộ rồi cấp vào tua bin. Công sinh
ra của tua bin trực tiếp được sử dụng để dẫn động Máy nén gió tăng áp. Không khí
nén trước khi cấp vào động cơ có thể được làm mát bằng sinh hàn.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------


Trang 17
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý cơ bản cảu tăng áp với tổ hợp TB-MN
- Tăng áp bằng tua bin khí Máy nén đơn thuần nhất cho phép tăng công suất động
cơ Diesel từ 50 ÷ 70%, tăng hiệu suất động cơ từ 4÷6%, suất tiêu hao nhiên liệu có
ích giảm từ 8-13%, nhiệt độ khí xả giảm 50oC. Bằng một số biện pháp cải tiến, tăng
áp TB-MN hiện đại có thể tăng công suất động cơ 400%. Để chủ động định lượng

mức độ tăng áp, tăng khả năng tăng áp có thể trích một phần năng lượng cháy trong
xy lanh động cơ dành cho tua bin bằng cách tăng góc mở sớm cơ cấu xả. Trong
trường hợp này, tua bin khí Máy nén là thiết bị tận dụng năng lượng của khí xả.
Thực tế đã chứng minh được rằng, khí xả của động cơ ở tất cả mọi chế độ sử dụng
trong thực tế đảm bảo được các điều kiện sau:
+ Năng lượng đủ cao để có thể sử dụng một phần cho giãn nở trong tua bin và sinh
công cơ khí.
+ Nhiệt độ không quá cao nên có thể tranh được việc hư hỏng các chi tiết của tua
bin.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------


Trang 18
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

+ Tua bin khí có thể dẫn động Máy nén ly tâm mà không tạo ra sức cản quá lớn
trên đường xả của động cơ. Trong động cơ Diesel, khoảng ( 35-40) % năng lượng
của nhiên liệu phát ra bị mất do theo khí xả ra bên ngoài. Xét trong 40% năng lượng
đó, có 10% mang đi bị mất mát do ma sát, tiết lưu vì không thể thải khí ra ngoài với
áp suất và nhiệt độ môi trường, 20% năng lượng thải ra môi trường.
+ Như vậy, còn có thể tận dụng được khoảng 10% năng lượng của nhiên liệu phát
ra chứa trong khí xả.
- Trên thực tế, các động cơ Diesel thường được trang bị các tổ hợp tua bin khí Máy
nén với nhiều thiết bị phụ trợ, nhiều phương án cải tiến. Các phương án đó có thể kể
ra như: bộ biến đổi xung khí xả, ống phun và ống khuyếch tán điều chỉnh được,
phối hợp tăng áp cơ giới và tuabin khí máy nén, sử dụng Máy nén hốc dưới pittông;
sử dụng quạt gió phụ hoặc Máy nén phụ vào mục đích giảm tải cho tổ hợp tua bin
Máy nén.
- Ưu điểm của phương pháp tăng áp TB-MN:
+ Hệ thống tăng áp Tuabin khí xả- Máy nén có cơ cấu được chế tạo đơn giản và bố

trí gọn.
+ Tận dụng được nguồn năng lượng khí xả, làm giảm lượng khí thải.
+ Cải thiện được các chi tiêu kinh tế của động cơ.
+ Hiệu suất hệ số tăng áp TB-MN lớn hơn hiệu suất của hệ thống tăng áp cơ giới.
- Nhược điểm của phương pháp này là:
+ Khả năng gia tải của động cơ rất kém so với hệ thống tăng áp khác. Vì thế động
cơ cơ lớn phải trang bị thêm quạt gió phụ.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------


Trang 19
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2.3.3 Tăng áp hỗn hợp.
- Trong tăng áp hỗn hợp, kết hợp 2 hệ thống Máy nén khác nhau, một được dẫn
động bằng khí xả và một được dẫn động bằng cơ khí, chủ yếu từ trục khuỷu của
động cơ (hình 2.8 và 2.9). Trong phương pháp lắp ghép hỗn hợp, Máy nén dẫn động
cơ khí có thể sử dụng là Máy nén ly tâm, hướng trục, trục vít…hoạt động độc lập
với Máy nén ly tâm dẫn động bởi Tuabin khí xả.
- Tùy thuộc vào vị trí của các máy nén gồm 2 phương pháp:
+ Phương pháp hỗn hợp ghép nối tiếp.
+ Phương pháp hỗn hợp ghép song song.
2.3.3.1 Phương pháp hỗn hợp ghép nối tiếp.

P0 T0
2

3

2

3

6

6

5
1

4

1

4

5
P0 T0

6

6

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------


Trang 20
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

a. Ghép nối tiếp thuận ; b. ghép nối tiếp nghịch
1. Động cơ ; 2. Tuabbin ; 3. Máy nén ; 4. Máy nén dẫn động cơ khí ; 5. Khớp
nối ; 6. Sinh hàn.
Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp tăng áp hỗn hợp ghép nối tiếp
- Phương pháp hỗn hợp ghép nối tiếp: Phụ thuộc vào phương của dòng khí tăng áp
đi qua Máy nén dẫn động cơ khí và Máy nén dẫn động từ Tuabin mà ta chia thành 2
loại: Ghép nối tiếp thuận và ghép nối tiếp nghịch.
- Ghép nối tiếp thuận: Máy nén dẫn động cơ khí đứng sau Máy nén dẫn động bằng
tua bin khí. Khí tăng áp được Máy nén dẫn động bằng Tuabin khí. Khí tăng áp được
Máy nén dẫn động bằng Tuabin khí hút từ môi trường sau đó được dẫn tới Máy nén
dẫn động cơ khí và đi vào động cơ. Trong trường hợp này lưu lượng khí nạp phụ
thuộc vào lưu lượng của cụm Tuabin - Máy nén.
- Ghép nối tiếp nghịch: Lúc này Máy nén dẫn động cơ khí đứng trước, lưu lượng
khí cung cấp cho động cơ phụ thuộc vào lưu lượng Máy nén dẫn động cơ khí, vì thế
phụ thuộc vào chế độ tốc độ của động cơ và lưu lượng khí cung cấp cho một chu
trình là không đổi.
2.3.3.2 Phương pháp hỗn hợp ghép song song.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------


Trang 21
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

1. Động cơ ; 2. Tuabbin ; 3. Máy nén ; 4. Máy nén dẫn động cơ khí ; 5. Khớp
nối ; 6. Sinh hàn.
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp tăng áp hỗn hợp song song.
- Phương pháp hỗn hợp song song: Khí tăng áp nạp vào động cơ được cung cấp
đồng thời nhờ 2 Máy nén. Hình thức này rất phù hợp cho động cơ tăng áp có áp suất
tăng áp trung bình.

+ Ưu điểm của phương pháp hỗn hợp:
+ Nhờ cách ghép nối này mà sự phân bổ phạm vi làm việc của hai hệ thống này
hợp lý hơn. Ở phạm vi tải trọng thấp của động cơ khi mà năng lượng khí xả còn
thấp, chưa đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho Máy nén (được dẫn động từ
Tuabin) để nén khí vào động cơ với áp suất và lưu lượng mong muốn thì khí tăng áp
chủ yếu được cung cấp bởi Máy nén dẫn động cơ khí. Khi năng lượng khí xả đã đủ
lớn, người ta cắt nguồn năng lượng cung cấp cho Máy nén cơ khí và chỉ có cụm
năng lượng cung cấp cho Máy nén cơ khí và chỉ cho cụm tăng áp bằng Tuabin Máy nén tăng áp hoạt động.
+ Phương pháp này cho phép động cơ khởi động tốt, gia tốc tốt nên rất thích hợp
cho động cơ 2 kỳ.
+ Phương pháp lắp nối tiếp được sử dụng nhiều trong trường hợp tăng áp có áp
suất tăng áp cao, đặc biệt khi tải nhỏ.
- Nhược điểm: Phương pháp này có hình thức bố trí lắp đặt và cấu tạo phức tạp hơn
phương pháp tăng áp cơ khí và phương pháp tăng áp TB-MN.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------


Trang 22
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

CHƯƠNG 3
PHỐI HỢP CÔNG TÁC CỦA TỔ HỢP TB-MN
VỚI ĐỘNG CƠ DIESEL
3.1 Đặc tính của Máy nén (MN).
- Muốn đánh giá về chất lượng thiết kế, chế tạo, phạm vi hoạt động cho phép cũng
như tính hợp lý của việc phối hợp với các động cơ tăng áp cần phải có đặc tính lưu
lượng của Máy nén, đó là các đường cong thể hiện mối quan hệ giữa tỉ số tăng áp
πk, hiệu suất η k tốc độ nk… với lưu lượng mk hay Vk.
- Nói chung đặc tính của Máy nén, được xác định qua thử nghiệm tính năng của

Máy nén. Dựa vào số liệu đo được về lưu lượng mk, áp suất pk, nhiệt độ Tk, tốc độ
nk.v.v…trong thử nghiệm tiến hành tính toán, chỉnh lý rồi vẽ ra đặc tính.

Hình 3.1: Đặc tính điển hình của Máy nén.
- Hình 3.1 giới thiệu một thí dụ điển hình về đặc tính Máy nén ly tâm với những
đặc điểm sau:
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------


Trang 23
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

+ Với một tốc độ không đổi, ban đầu πk sẽ tăng giảm mk tới πk max nào đó, nếu
tiếp tục giảm mk sẽ làm πk giảm.
*

Biến thiên η k = f (mk) cũng có dạng tương tự.
+ Với nk= const, khi giảm mk thấp hơn một giá trị nào đó, Máy nén sẽ bắt đầu mất
ổn định. Dòng khí đi qua Máy nén có dao động lớn, làm tăng dao động của các cánh
và làm khí nén phun ra cửa hút, gây tiếng ồn lớn, đồng thời áp suất ở cửa ra của
Máy nén cũng bị giảm và dao động mạnh. Đó là giới hạn ổn định của Máy nén. Mỗi
tốc độ nk có một điểm giới hạn, nối tất cả các điểm ấy với nhau sẽ được một đường.
+ Giới hạn ổn định III của Máy nén. Động cơ Diesel dùng tổ hợp TB-MN tăng áp
không cho phép Máy nén hoạt động gần sát với giới hạn ổn định (Hình 3.1).
+ Với nk= const, πk sẽ giảm khi tăng mk. Tăng mk tới một giá trị nào đó thì tại một
tiết diện nào đó trong Máy nén đạt tới điều kiện tới hạn, tức lá số A của dòng bằng
1, lúc ấy nếu tiếp tục giảm πk thì mk lúc ấy gọi là “lưu lượng nút” chính là lưu lượng
giới hạn của Máy nén tại tốc độ nk đó. Mỗi nk= const đều có lưu lượng giới hạn
tương ứng. Khu vực lớn hơn lưu lượng giới hạn được gọi là khu vực nút. Hoạt động
ở khu vực sát với giới hạn nút nk giảm rất nhanh, vì vậy thường cho Máy nén hoạt

động tại khu vực nk > 0,7.
+ Các đặc tính của Máy nén được vẽ trên đồ thị mà tọa độ là các thông số đồng
dạng hoặc các thông số quy về điều kiện tiêu chuẩn (po=1 bar, to=25oC hoặc
To=298oK). Trong trường hợp đó lưu lượng đồng dạng dùng

m kqd = m k

T1*
, kg / s
p1*

và tốc độ đồng dạng dùng nk.., các thông số Tk và p1 đều được quy dẫn về điều kiện
tiêu chuẩn, nhờ đó đồ thì đặc tính không phụ thuộc vào điều kiện môi trường.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------


Trang 24
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

+ Lưu lượng quy dẫn về điều kiện tiêu chuẩn có dạng:

m kqd = n k

298
, vòng / phút
T1*

+ Trong đó: Các thông số mk, nk, p1*, T1*- là lưu lượng; tốc độ quay của Máy nén,
áp suất và nhiệt độ không khí ở cửa vào đo được khi thực nghiệm.
+ Từ các đường đặc tính (Hình 3.1), ứng với tốc độ vòng quay khác nhau, còn cho

thấy khi số vòng quay càng lớn, tốc độ giảm áp suất càng nhanh khi lưu lượng tăng,
hay nói cách khác khi ở số vòng quay càng nhỏ, đặc tính càng phẳng. Điều này
hoàn toàn dễ hiểu vì đặc tính áp suất thay đổi tỉ lệ nghịch với bình phương tốc độ
còn lưu lượng thay đổi tỉ lệ nghịch với tốc độ. Như vậy, khi tăng áp càng cao, phạm
vi làm việc của MN càng hẹp.
- Thông số công tác của phía Máy nén:
+ Tỷ số tăng áp: Là tỷ số giữa áp suất đi ra Máy nén chia cho áp suất đi vào.
πk =

p2
p1

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------


Trang 25
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Hình .3.2: Đặc tính của máy nén.
- Hiện nay, bánh công tác của Máy nén ly tâm trong tổ hợp TB-MN tăng áp đều
dùng công nghệ đúc bằng hợp kim nhôm, titanium…nên tỷ số tăng áp cao lên tới
5,2.
- Lưu lượng: Gồm có lưu lượng khối lượng mk (kg/s) hoặc thể tích Vk (m3/s) không
khí đi qua Máy nén trong một giây. Mỗi Máy nén đều có một phạm vi lưu lượng
nhất định. Phạm vi lưu lượng được thể hiện qua lưu lượng lớn nhất và lưu lượng
nhỏ nhất của Máy nén khí với tỉ lệ tăng áp và hiệu suất đã cho của Máy nén. Phạm
vi lưu lượng của máy nén quyết định phạm vi công suất của động cơ Diesel tương
ứng, phạm vi lưu lượng càng rộng thì phạm vi công suất sủa động cơ Diesel tương
ứng với Máy nén trên càng lớn.
- Hiệu suất của Máy nén khí ly tâm dùng trong tổ hợp TB-MN tăng áp là chỉ hiệu

suất đoạn nhiệt η k đó là tỷ số giữa công lý tưởng nén đoạn nhiệt Hkad dùng để nén
1kg không khí tới một tỉ số tăng áp nào đó với công thực tế Hk. Nó thể hiện tính
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------