Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 86

CHƯƠNG 6
TĂNG ÁP DIESEL TÀU THUỶ
6.1 Mục đích của tăng áp cho động cơ diesel tàu thuỷ:
6.1.1 Các phương pháp tăng công suất động cơ diesel tàu thuỷ
Cơ sở lý luận của tăng công suất động cơ diesel tàu thuỷ có thể bắt đầu từ
các công thức cơ bản tính toán quá trình công tác của động cơ, như sau:
- Lượng không khí nạp vào các xy lanh của động cơ G
kk
[kg(kk)/công tác];

kknskk
ViG
ρ
η

=
(6-1)
trong đó:
V
s
: thể tích công tác xy lanh
η
n
: hệ số nạp
γ
kk
: khối lượng riêng của không khí nạp vào động cơ
i: số xy lanh

e
e

.
2
=
(6-4)
Trong đó:
k: hằng số
p
e
: áp suất có ích bình quân
D: đườmh kính xy lanh
S: hành trình piston
n:vòng quay
i: số xy lanh
m: hệ số kỳ, bằng 1 với động cơ hai kỳ, bằng 2 với động cơ bốn kỳ
Các phương án thông thường tăng công suất động cơ có thể bao gồm:
- Tăng số xy lanh i hoặc kích thước cơ bản, bao gồm đường kính xy lanh D
và hành trình piston S. Khi đó, thể tích công tác của xy lanh V
s
= K.785D
2.
S sẽ
tăng lên.
- Tăng số vòng quay n (v/p), công suất động cơ cũng có thể cũng sẽ tăng lên.
Khi tăng vòng quay, vấn đề khó khăn là tính toán cân bằng động và đảm bảo bôi
trơn.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 87

s
kk
TR
p
.
=
γ
(6-5)
Theo công thức (6.5), để tăng lượng không khí nạp, phải tăng áp suất không
khí nạp p
s
, và giảm nhiệt độ T
s

Tăng công suất động cơ diesel bằng cách tăng áp suất không khí nạp để
đảm bảo hiệu suất cháy toàn bộ lượng nhiên liệu lớn hơn trên cơ sở các kích
thước cơ bản của động cơ được gọi một cách đơn giản là tăng áp.
Trong các động cơ tăng áp, người tăng áp thường sử dụng máy nén để tăng
áp suất và sinh hàn để giảm nhiệt độ không khí nạp cho động cơ.
Mức độ tăng công suất của động cơ nhờ tăng áp so với chính động cơ đó
trong điều kiện chưa tăng áp được đánh giá bằng hệ số λ
ta
gọi là mức độ tăng áp.

e
ta
e
e
ta
e

(kG/cm
2
)
Mức độ tăng áp
Động cơ bốn kỳ Động cơ hai kỳ
Thấp 8 ÷ 12 6 ÷ 8

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 88

Vừa 13 ÷ 20 9 ÷ 12
Cao 21 ÷ 30 14 ÷ 26

6.1.2 Các phương pháp 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. Máy nén thể tích có thể là máy nén piston, máy nén
trục vít, máy nén dùng hốc dưới piston của động cơ ….
Các máy nén có thể được truyền động trực tiếp từ động cơ, dùng động cơ
điện hoặc dùng tua bin khí xả. Tuỳ theo việc dẫn động máy nén, người ta phân
biệt các hình thức tăng áp cơ giớ
i, tăng áp tua bin khí máy nén và tăng áp hỗn
hợp.
a. Tăng áp truyền động cơ giới

Hình 6.1 Động cơ diesel tăng áp cơ giới

Máy nén khí thường có thể là máy nén thể tích hoặc máy nén cánh dẫn
được truyền động trực tiếp từ động cơ. Sơ đồ khối kết cấu động cơ tăng áp truyền
động cơ giới trên hình 6.1, bao gồm: động cơ diesel, cơ cấu truyền động, máy
nén khí, sinh hàn gió tăng áp và bầu chứa khí nạp.
Tăng áp cơ giới có ưu điểm là đảm bảo được không khí cung cấp cho động

nhiên liệu có ích giảm từ 8 – 13%, nhiệt độ khí xả giảm 50
o
C. Bằng một số biện
pháp cải tiến, tăng áp tua bin khí máy nén có thể tăng công su ấ động cơ
từ 2 đến
4 lần. Để chủ động định lượng mức độ tăng áp, người tăng áp có thể trích một
phần
năng lượng khí 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. Mặc dù tăng áp bằng tua bin khí máy nén có thể cải
thiện được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ nhưng khả năng gia tải của
động cơ rất kém.
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 tua bin khí máy nén, sử dụng máy nén
hốc dưới piston; sử dụng quạt gió phụ hoặc máy nén phụ vào mục đích giảm tả
i
cho tổ hợp tua bin khí máy nén …
6.2 Sử dụng năng lượng khí xả cho tăng áp diesel tàu thuỷ:
6.2.1 Phân bố năng lượng khí xả động cơ diesel
Quá trình xả trong động cơ diesel bắt đầu tại thời điểm mở cơ cấu xả (điểm
b, hình 6.3). Có hai giai đoạn trong quá trình xả. Giai đoạn thứ nhất là xả tự do
diễn ra với tốc độ rất lớn do độ chênh lệch áp su
ất trong xy lanh và ống góp khí
xả. Giai đoạn thứ hai diễn ra dưới tác động của piston hoặc khí quét, với tốc độ
lưu động nhỏ hơn.
Năng lượng toàn bộ trong khí xả của động cơ E có thể chia làm hai phần:
- Năng lượng do giãn nở khí xả từ áp suất p

Hình 6.3 Phân bố năng lượng khí xả

Tua bin khí xả có thể sử dụng cả hai thành phần năng lượng này tuy nhiên
mức độ sử dụng thành phần xung E
1
phụ thuộc vào phương pháp tổ chức cấp khí
xả đến tua bin. Tuỳ thuộc vào cách tổ chức cấp khí xả đến tua bin, tua bin khí
máy nén tăng áp có hai loại:
- Tăng áp xung, khí áp suất khí xả trước tua bin thay đổi.
- Tăng áp đẳng áp, khí áp suất khí xả trước tua bin ổn định.
6.2.2 Tăng áp xung

Hình 6.4 Sơ đồ bố trí hệ thống tăng áp xung

Đây là hình thức tăng áp mà tua bin khí xả sử dụng nhiều nhất thành phần
năng lượng xung E
1
. Sử dụng năng lượng xung là sử dụng trực tiếp động năng

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 91

cho việc sinh công của tua bin. Để thực hiện mục đích đó, một số các biệm pháp
sau đây được thực hiện:
- Tránh giãn nở khí xả sau khi ra khỏi tua bin bằng cách dùng ống xả có
kích thước nhỏ, được tính toán trước, tua bin đặt gần xy lanh.
- Tăng góc mở sớm xupáp xả tạo xung khí xả lớn.
- Tránh sự trùng hợp gây ảnh hưởng lẫn nhau giữa xung của các xy lanh
khác nhau, ống xả của các xy lanh thường được chế t
ạo riêng biệt; sự nối chung
đường ống xả với không quá ba xy lanh có thứ tự nổ cách xa nhau.
Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 92

6.2.4 Ưu nhược điểm của tăng áp xung và tăng áp đẳng áp
Ưu điểm lớn nhất của tăng áp xung là việc sử dụng trực tiếp xung năng
lượng khí xả, đó chính là động năng rất lớn của khí xả trong giai đoạn xả tự do.
Chính vì thế, tốc độ của tua bin tăng rất nhanh và có khả năng cung cấp đủ khí
cho diesel ngay cả khi động cơ hoạt độ
ng ở chế độ nhỏ tải. Tính tăng tốc của
động cơ sử dụng tăng áp đẳng áp rất tốt. Tuy nhiên, nhược điểm của tăng áp xung
là hiệu suất công tác của tua bin rất kém. Do cần tạo xung, góc mở sớm xupáp xả
tăng lên ảnh hưởng đến công suất chỉ thị của động cơ. Tính hiệu quả của tăng áp
xung càng giảm khi áp suất tăng áp càng lớn. Ngoài ra, kế
t cấu của hệ thống cũng
phức tạp hơn.
Ngược lại với tăng áp xung, tăng áp đẳng áp có hiệu quả sử dụng năng
lượng của tua bin rất cao. Tăng áp đẳng áp không đòi hỏi tăng góc mở sớm do đó
tăng được công suất chỉ thị động cơ. Tăng áp đẳng áp đảm bảo tính kinh tế rất
cao của động cơ, đặc biệ
t là các động cơ có mức độ tăng áp lớn khi hoạt động ở
chế độ toàn tải. Nhược điểm lớn nhất của nó là tính tăng tốc của động cơ rất kém.
Đối với động cơ hai kỳ khi hoạt động ở chế độ phụ tải thì không có khả năng
quét khí cho xy lanh. Trong trường hợp này, hệ thống tăng áp thường phải trang
bị thêm quạt gió phụ.
6.3 S
ự thay đổi các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ khi tăng áp

N
N
+++
==
η
(6-7)
trong đó:
N
MN
: là công suất chi phí cho lai máy nén
N
TB
: là công suất của tua bin
Gọi mức độ tăng áp của động cơ diesel là:
e
eTA
TA
N
N
=
λ
; công suất tương đối
của máy nén:
i
MN
MN
N
N
=
δ

λ
; 8,0=
m
η
thì 858,0
=
mTA
η
tức là
mTA
η
tăng lên 0,058 (tức 5.8%)

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 93

Với động cơ tăng áp cơ giới, khi đó: 0==
i
TB
TB
N
N
δ
, trong trường hợp này:

()
MNTAm
mTA
mTA
δλη
η

mTA
η
giảm xuống.
6.3.2 Sự thay đổi tỷ số tăng áp suất λ khi tăng áp
Khi tăng áp, vấn đề cần quan tâm là ứng suất cơ của động cơ, trong đó, tỷ số
C
z
p
p
=
λ
là thông số đánh giá mức độ làm việc nhẹ nhàng, tin cậy với ứng suất cơ
thấp.
Từ công thức tính nhiệt lượng cháy đẳng tích:

(
)
CZZ
TTCGQ
−
=
111
(6.10)
trong đó:
G: là lượng không khí (nạp) trong xy lanh (kg)
C
v
: là nhiệt dung riêng đẳng tích
Trong quá trình cháy đẳng tích CZ
1

Q
T
T
λ
(6-12)
Từ (6.12), khi tăng lượng không khí nạp G, tỷ số tăng áp suất
C
Z
p
p
=
λ
sẽ
giảm xuống. Ngoài ra, trong các động cơ tăng áp, việc tăng áp suất không khí nạp
p
a
làm giảm thời gian chuẩn bị cháy, làm giảm tỷ số tăng áp suất λ.
6.4 Tăng áp động cơ diesel bốn kỳ
Việc chuyển một động cơ sang tăng áp lần đầu tiên được áp dụng cho
diesel bốn kỳ. Ngoài việc lắp đặt tổ hợp tua bin khí máy nén và làm mát không
khí nạp, động cơ có tăng áp sẽ phải có một số thay đổi như sau:
- Thay đổi các thiết bị cung cấp nhiên liệu (bơ
m cao áp, vòi phun) để
tăng lượng phun nhiên liệu cho chu trình.
- Thay đổi góc độ của pha phối khí và tăng kích thước của cơ cấu phân
phối khí (xu páp hút và xả) để đảm bảo lưu lượng không khí lớn hơn đi qua động
cơ.
- Động cơ có tăng áp phải thiết kế lại để đảm bảo độ bền cơ nhiệt phù
hợp với điều kiện làm việc nặng nề h
ơn.

65,145,1
÷
=
a
ϕ
; đ/c bốn kỳ 35,107,1
÷
=
a
ϕ
) do đó động cơ hai
kỳ đòi hỏi lưu lượng không khí do máy nén cung cấp lớn hơn. Vì vậy, công suất
tiêu thụ của máy nén cao hơn.
- Khi áp suất chỉ thị bình quân bằng nhau, nhiệt độ khí xả động cơ hai kỳ
thường thấp hơn động cơ bốn kỳ (đ/c hai kỳ:
00
450350 ÷=
kx
t C; đ/c bốn
kỳ:
00
500450 ÷=
kx
t C). Đây cũng là khó khăn gặp phải khí tăng công suất của tua
bin.
- Khi tăng áp, ứng suất nhiệt và ứng suất cơ của các động cơ hai kỳ
thường cao hơn so với động cơ bốn kỳ.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 95


Hình 6.7 cho ta mối quan hệ giữa áp suất có ích bình quân p
e
và mức độ tăng
áp khi có làm mát, làm mát kém và không làm mát. Bên cạnh đó, làm mát không
khí tăng áp còn làm giảm ứng suất nhiệt của động cơ.
Tuỳ thuộc vào mức độ tăng áp, nhiệt độ làm mát thường được quy định cao
hơn nhiệt độ ngưng tụ hơi nước trong không khí. Khi khai thác thiết bị làm mát
không khí tăng áp, định kỳ phải xả nước ngưng tụ.
Các thiết bị làm mát không khí tăng áp thường dùng cho tàu thuỷ là thiết bị
trao đổi nhi
ệt kiểu thu hồi nhiệt, kiểu bay hơi và kiểu giãn nở trong tua bin.
Thiết bị và dụng cụ đo, chỉ báo thường dùng là nhiệt kế đo nhiệt độ vào và
ra của không khí và nước. Thiết bị đo sức cản bằng độ chênh lệch cột áp lối vào

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 96

và lối ra của bầu làm mát. Độ chênh quy định đối với bầu làm mát không khí
tăng áp thường trong khoảng 20 ÷ 25 cm cột nước.
6.7 Kết cấu tổ hợp tuabin khí máy nén tăng áp diesel tàu thuỷ
6.7.1 Nguyên lý hoạt động
Tổ hợp tua bin khí máy nén tăng áp được chế tạo nhằm mục đích sử dụng
năng lượng của khí xả để lai máy nén cung cấp không khí nạp với áp suất cao
cho động cơ. Trên hình (6.8) mô tả nguyên lý hoạt động của t
ổ hợp tua bin khí
máy nén.

Khí xả động cơ disel được cấp vào tua bin theo đường khí xả vào (exhaust
gas in), sau khi qua cụm ống phun được biến đổi năng lượng thành động năng,
thổi vào cánh tua bin để quay rotor tua bin (turbine rotor) rồi thoát ra ngoài qua
đường dẫn khí thoát (exhaust gas out). Cánh máy nén được gắn đồng trục với

nén, thiết bị tăng hiệu suất công tác (phía khí xả: bộ biến đổi xung, ống phun;
phía máy nén: cánh hướng không khí vào, ống khuyếch tán, khoang khuyếch
tán), bạc đỡ hoặc vòng bi, thiết bị làm kín
, thiết bị giảm chấn, thiết bị bôi trơn, …
Trong một số tua bin khí máy nén, thiết bị bị tăng hiệu suất công tác còn có thể
tự động điều chỉnh được.
1. Thân tua bin.
Thân tua bin có 3 phần: Thân tua bin 7 bao gồm: đường nhận khí xả, đưa
khí xả đến cụm ống phun để biến đổi năng lượng thành động năng trên cụm ống
phun 6 trước khi vào bánh cánh công tác 5 gắn trên trục roto tua bin. Thân tua
bin còn chứa cụm ổ đỡ kiểu vòng bi 2 (hoặc bạc) đầu trục rotor phía tua bin.
Khoang trong của cụm ổ đỡ còn là nơi chứa ( hoặc góp) dầu bôi trơn.
- Thân phía máy nén cũng bao gồm đường vào và ra của không khí nén
trong đó cụm cánh khuyếch tán biến đổi động năng thành áp năng trước khi đưa
vào ống xoắn tăng áp 4. Thân máy nén cũng có khoang chứa cụm ổ đỡ kiểu vòng
bi 2 (hoặc bạc) đầu trụ
c rotor phía máy nén và là nơi chứa hoặc gom dầu bôi trơn.
- Thân giữa, là đường thoát khí xả, còn là chân bệ và là thân trung gian
liên kết các phần tua bin và thân máy nén thành một khối. Thân giữa còn là nơi
đặt vách ngăn trung gian nhằm phân biệt và cách nhiệt giữa không khí và khí xả.
Các phần thân giữa và thân tua bin chịu nhiệt độ cao của khí xả do đó, thường có
các khoang làm mát với công chất là nước làm mát của động cơ.
(tăng áp đẳng áp). Cụm ống phun đặt sau hệ thống ống góp khí xả, ngay trước
cánh công tác của rotor tua bin, nhằm mục đích biến đổi thế và nhiệt năng khí xả
thành động năng thổi vào cánh công tác của tua bin.
- Thiết bị tăng hiệu suất công tác phía không khí, bao gồm: cánh hướng
dòng không khí vào, ống khuyếch tán 4 (hình 6.9). Cánh hướng dòng không khí
vào cánh máy nén, nhằm mụ
c đích ổn định dòng chảy của không khí vào cánh
máy nén. Cụm ống khuyếch tán cũng đặt trên thân máy nén, cùng với ống xoắn
tăng áp, biến đổi động năng dòng không khí ra khỏi cánh máy nén thành áp năng.
4. Bạc đỡ, vòng bi và bộ giảm chấn
Thiết bị làm giảm ma sát cơ khí khi rotor quay, chống dịch chuyển dọc trục,
giảm rung động, bao gồm vòng bi (hoặc bạc) và bộ giảm chấn.
- Bạc đỡ : bao gồm hai loại bạc
đỡ và bạc chặn (hình 6.9)
- Vòng bi : bao gồm hai loại bạc đỡ và bạc chặn (hình 6.9)
- Bộ giảm chấn : các lá thép mỏng có thấm dầu đặt bao quanh vòng bi
trong ổ đỡ. Bộ giảm chấn cho phép giảm các chấn động, bảo vệ vòng bi khỏi các
hư hỏng do rung động gây nên.
5. Dầu bôi trơn
Tổ hợp tua bin khí máy nén tăng áp có thể áp dụng các hình thức bôi trơn
cho vòng bi (hoặc bạc), bao gồm: hệ thống độc lập với b
ơm độc lập, dùng
khoang dầu với bơm dầu do rotor tua bin lai.
- Hệ thống dầu bôi trơn độc lập bao gồm các két, các bơm dầu độc lập,
các van và đường ống …

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 99

- Dùng khoang dầu độc lập như hình 6.9, trong đó bố trí các bơm dầu đầu
trục do chính rotor lai.

- Kiểm tra theo dõi các thông số,
đặc biệt là vòng quay tua bin và áp suất
tăng áp. Sự thay đổi các thông số phải phù hợp với sự thay đổi chế độ hoạt động
của động cơ.
- Kiểm tra, theo dõi sự bôi trơn trong tua bin khí máy nén.
- Kiếm tra, theo dõi sự rung động, tiếng ồn của tua bin khí máy nén.
- Nếu các thiết bị phụ trợ không hoạt động tự động thì cần phải đưa
chúng vào hoạt động kịp thời.
c. Ho máy nén và xử lý

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 100

Ho máy nén (như quen gọi là ho tua bin) có rất nhiều nguyên nhân:
- Nguyên nhân tiềm ẩn là do chất lượng quá trình cháy trong các xy lanh
của động cơ và tình trạng kỹ thuật của tổ hợp tua bin khí máy nén tăng áp.
- Nguyên nhân trực tiếp do sóng gió làm thay đổi tải và vòng quay máy
chính ở mức độ tương đối lớn khi thời tiết xấu.
Khi vòng quay động cơ tăng, lưu lượng không khí nạp vào xy lanh tăng làm
giảm áp suất đối áp trên máy nén. Trong khi đó, do quán tính của rotor, vòng
quay máy nén giữ nguyên làm cho tốc độ dòng không khí qua máy nén tă
ng đột
ngột. Lưu lượng gió tức thời tăng làm đặc tính sức cản tuyến nạp tăng lên. Ngay
sau đó, vòng quay động cơ giảm xuống làm giảm lưu lượng của máy nén, đưa
điểm làm việc của máy nén từ điểm D (vốn đã rất gần điểm giới hạn ho C) về
điểm giới hạn ho C (hình 6.10). Tại điểm C, máy nén chưa ho. Tuy nhiên, nếu
cườ
ng độ quá trình nói trên quá lớn, hệ thống không dừng ở điểm C mà chuyển
tiếp vầ điểm B có lưu lượng âm, dòng không khí nạp đi ngược từ hệ thống nạp ra
ngoài qua cánh máy nén. Điều này có thể xem như một sóng áp suất ngược từ
ống góp không khí nạp ra môi trường. Theo đặc tính công tác của hệ thống, đặc

4. Các kiểu quét khí sử dụng trong động cơ diesel hai kỳ. Trò số thời gian
tiết diện là gì?
5. Trình bày các phương pháp vệ sinh tua bin, máy nén khi động cơ đang
hoạt động, cần lưu ý gì khi rửa tua bin bằng nước?
6. Mô tả có hình vẽ :
- Một hệ thống tua bin tăng áp xung.
- Một hệ thống tua bin tăng áp đẳng áp
7. Nêu ảnh hưởng của tăng áp tới các thông số của động cơ.
8. Trình bày hiện tượng mất ổn đònh tổ hợp tua bin- máy nén, nêu nguyên
nhân và biện pháp khắc phục?
9. Trình bày s
ơ đồ tua bin tăng áp và nêu đặc điểm của hai loại tua bin
xung lực và đẳng áp.
10. Nêu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tăng áp của hệ thống tăng áp?
11. So sánh hệ thống tăng áp đẳng áp và xung áp, cách nhận biết thực tế
trên động cơ, ứng dụng trong thực tế?
12. Trình bày sơ đồ tăng áp hỗn hợp song song thường áp dụng trên tàu
thuỷ?
13. Trình bày sơ đồ tăng áp hỗn hợp n
ối tiếp thường áp dụng trên tàu thuỷ?
14. Trình bày các phương pháp tăng áp cho động cơ, đặc điểm tăng áp trong
động cơ Diesel hai kỳ?
15. Bảo dưỡng tổ hợp tua bin - máy nén cần làm gì, các lưu ý khi vệ sinh TB-
MN mà động cơ đang hoạt động?