1

Mở đầu
Động cơ đốt trong (ĐCĐT) nói chung và động cơ Diesel nói riêng có
những bước phát triển thăng trầm do nhiều nguyên nhân khác nhau, ví dụ
người ta hy vọng vào một nguồn năng lượng khác có các đặc tính tốt hơn
hoặc lo sợ về sự cạn kiệt của nguồn nhiên liệu được biểu hiện ở cuộc khủng
hoảng vào những năm 70 của thế kỷ XX. Thêm vào đó là các vấn đề ô nhiễm
do nó gây ra đối với môi trường và sức khỏe con người.Tuy nhiên, nhờ những
phát triển vượt bậc trong nghiên cứu khoa học kỹ thuật, ngành chế tạo ĐCĐT
đã tồn tại và phát triển ngày càng rộng rãi. Nhờ những ưu điểm vượt trội về
nhiều mặt, đặc biệt là hiệu suất cao trong phạm vi công suất rộng, nhỏ gọn
nên ĐCĐT hiện nay chiếm ưu thế tuyệt đối trong một số lĩnh vực như vận tải
đường bộ, đường thủy, máy phát điện dự phòng…
Lịch sử phát triển ĐCĐT luôn gắn liền với lịch sử phát triển hệ thống
tăng áp khí xả. Hệ thống tăng áp bằng tổ hợp turbine máy nén trên động cơ
Diesel ra đời là một trong những biện pháp tăng công suất tốt nhất (tính đến
nay) cho động cơ Diesel, ngoài ra nó còn giảm thiểu các chất thải độc hại ra
môi trường nhờ quá trình sử dụng hết nhiên liệu trong quá trình cháy.
Bảo dưỡng, sữa chữa turbine tăng áp cho động cơ diesel tàu thủy là
nhu cầu cấp thiết không thê thiếu trong suốt quá trình khai thác hệ động lực
tàu thủy. Bảo dưỡng giúp hạn chế được những hư hỏng, sự cố trong quá trình
vận hành khai thác.


2

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1 Lí do chọn đề tài
Xuất phát từ thực tế khai thác và bảo dưỡng tổ hợp turbine máy nén

hiện được sử dụng hầu hết trên các động cơ Diesel, động cơ xăng… Đặc biệt
là các tổ hợp turbine máy nén khí xả lắp đặt trên các động cơ Diesel tàu thủy
hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt. Việc khai thác các tổ hợp tua bin máy
nén này gặp một số khó khăn do: tàu di chuyển trong các vùng có nhiệt độ
khác nhau, chế độ tải thường thay đổi do sóng gió, môi trường biển…Một
phần quan trọng trong quá trình khai thác là việc bảo dưỡng trong hành trình
biển và bảo dưỡng định kỳ. Bảo dưỡng góp phần duy trì sự ổn định, giảm
thiểu các sự cố xảy ra với turbine.
Máy vi tính là thiết bị giúp chúng ta nhập dữ liệu, xử lý theo một cách
nào đó, và đưa ra những dữ liệu mới. Ngày nay, máy tính đã góp mặt hầu hết
trên mọi lĩnh vực với mục đích nâng cao hiệu suất và độ chính xác của công
việc. Trong vận hành và bảo dưỡng các thiết bị trên tàu thủy cũng vậy, việc
tra cứu và làm việc trên máy tính đã trở thành thông lệ.
Chính vì vậy nên tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu xây dựng và mô
phỏng quy trình kiểm tra bảo dưỡng turbine khí xả TCR22” để mang đến cho
sỹ quan vận hành và người sữa chữa dễ dàng, thuận tiện tìm hiểu và thực hiện
những công việc liên quan tới sữa chữa, bảo dưỡng turbine.
1.2 Mục đích của đề tài
Giới thiệu về cấu tạo, nguyên lý cấu tạo và quy trình kiểm tra bảo
dưỡng tuabin khí xả TCR22.


3

Nghiên cứu xây dựng một qui trình có tính chuẩn mực, dựa vào đó mà
ta có thể áp dụng với các loại tuabin khí xả tương tự trên từng tàu khác nhau.
Hệ thống hóa bằng hình ảnh mô phỏng, mang lại cho người tiếp thu
nhanh và chuẩn xác nhất .
Hạn chế tối đa các hư hỏng do quá trình bảo dưỡng mang đến.
Là phương tiện hữu ích, có tính sinh động trong việc giảng dạy cho

sinh viên. Ngoài ra, giới thiệu cho kỹ sư, sỹ quan phụ trách một số kiến thức
có chuỗi hệ thống, để việc bảo dưỡng trở nên đơn giản nhưng chuẩn xác , rõ
ràng.
Người đọc sẽ có cái nhìn sâu sắc hơn về cấu tạo của tổ hợp turbine máy
nén tăng áp trên động cơ Diesel tàu thủy. Từ đó người đọc cũng có thể tham
khảo áp dụng việc này vào các dạng turbine khí xả mà tàu đang khai thác với
mục đích khác nhau nhằm kiểm tra bảo dưỡng một cách tốt nhất.
1.3 Phương pháp thực hiện đề tài
Đây là đề tài nghiên cứu xây dựng quy trình kiểm tra bảo dưỡng tổ hợp
turbine máy nén tăng áp động cơ Diesel tàu thủy, với mục đích xây dựng một
quy trình chuẩn mực và mô phỏng các chi tiết máy một các cụ thể. Tác giả áp
dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, sau đó dùng chương trình máy tính
kết hợp với mô phỏng 3D để tạo tổ hợp turbine máy nén tăng áp.
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, tác giả chia đề tài làm 4 chương
chính sau:
-

Chương 1: Tổng quan

- Chương 2: Tổng quan về turbine tăng áp động cơ Diesel tàu thủy
- Chương 3: Xây dựng và mô phỏng turbine khí xả TCR22
- Chương 4: Ứng dựng vào quy trình bảo dưỡng turbine TCR22


4

Do thời gian và khả năng có hạn, bản luận văn chắc chắn không tránh
khỏi những sai sót. Rất mong sự tham gia góp ý của các Thầy, Cô giáo cùng
các đồng nghiệp có quan tâm đến bài viết này.
Xin được chân thành cảm ơn.



5

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ TURBINE TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU
THỦY
2.1 Lý thuyết tăng áp động cơ Diesel tàu thủy
2.1.1 Khái niệm chung về tăng áp
Cơ sở lý luận để tăng công suất động cơ có thế bắt đầu từ các công thức
cơ bản tính toán quá trình công tác như sau:
- Lượng không khí nạp vào các xy lanh của động cơ Gkk [kg(kk)/công
tác].

Trong đó:

= . .ŋ .

(2.1)

 i: số xy lanh
 Vs: thể tích công tác xy lanh
 ŋn: hệ số nạp
 γkk: khối lượng riêng của không khí nạp vào động cơ.
- Lượng nhiên liệu phun vào các xy lanh trong một chu trình Gnl
[kg(nl)/ ct công tác].

Trong đó:

= .


 i: số xy lanh.
 qct: lượng nhiên liệu cấp theo chu trình.
- Hệ số dư lượng không khí α tính cho một chu trình.

(2.2)


6

=

(2.3)

.

- Công suất có ích của động cơ Ne [ml – mã lực].

Trong đó:

= .

.

. . .

(2.4)

 k: là hằng số.
 pe: áp suất có ích bình quân.

 D: đường kính xy lanh.
 S: hành trình piston.
 n: vòng quay.
 i: là số xy lanh.
 m: hệ số kỳ; m=1 với động cơ 2 kỳ; m=2 với động cơ 4 kỳ.
Từ các công thức trên, muốn tăng công suất người ta phải tăng khối
lượng nhiên liệu đốt cháy trong một đơn vị thời gian bằng cách thay đổi các
thông số như:
- Tăng số chu trình trong một đơn vị thời gian bằng cách tăng số vòng
quay n (v/p) của động cơ. Khi tăng số vòng quay của động cơ sẽ gây
khó khăn cho việc thực hiện các quá trình, đặc biệt quá trình cháy,
cân bằng động và đảm bảo quá trình bôi trơn.
- Tăng số xy lanh i hoặc kích thước cơ bản, bao gồm đường kính xy
lanh D và hành trình piston S. Khi đó sẽ kéo theo thể tích công tác
của xy lanh Vs, dẫn đến kích thước và trọng lượng của động cơ tăng
lên.


7

- Thay đổi số kỳ từ 4 kỳ thành 2 kỳ, dùng động cơ 2 kỳ (m=1) có thể
tăng công suất gấp đôi động cơ 4 kỳ (m=2). Trên thực tế động cơ 2 kỳ
có công suất lớn hơn từ 1,6 – 1,8 công suất động cơ 4 kỳ có cùng kích
thước cơ bản.
Tất cả các phương án nên trên, việc tăng công suất động cơ luôn kèm
theo việc tăng các kích thước của động cơ đồng thời với việc tăng lượng
nhiên liệu tiêu thụ cho động cơ.
Trên cơ sở công thức (2.4), việc tăng pe sẽ làm tăng công suất có ích
của động cơ Ne. Hiệu suất chỉ thị ŋi phụ thuộc trực tiếp vào các điều kiện đảm
bảo quá trình cháy nhiên liệu, trong đó yếu tố quan trọng là tỷ lệ giữa nhiên

liệu và không khí cấp vào xy lanh động cơ. Chính vì vậy để tăng lượng nhiên
liệu cấp vào xy lanh động cơ, người ta phải đồng thời tăng lượng không khí
cần thiết để đốt cháy nó.
Khối lượng riêng của không khí nạp được tính theo công thức:
=

.

(2.5)

Theo công thức (2.5), để tăng lượng không khí nạp, phải tăng áp suất
không khí nạp ps và giảm nhiệt độ Ts.
Tăng công suất động cơ Diesel bằng cách tăng áp suất 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, tăng áp thường sử dụng máy nén để tăng áp
suất và sinh hàn để giảm nhiệt độ không khí nạp vào 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 λta gọi là mức độ
tăng áp.


8

Trong đó: Ne và

=

=


(2.6)

là công suất có ích.

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 lên nhưng đồng thời tăng áp còn cho phép cải thiện một số chỉ tiêu
sau:
- 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 đáng kể tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu cụ thể trên phạm vi tải của
động cơ.
- Giảm chi phí động cơ ban đầu.
- Tăng độ làm việc tin cậy và giảm chi phí bảo dưỡng động cơ.
- Khí thải sạch hơn và tận dụng được năng lượng thất thoát từ khí xả
- Nâng cao khai thác động cơ một cách linh hoạt.
- Hiệu suất của động cơ tăng, đặc biệt ở tăng áp bằng tua bin khí xả và
do đó suất tiêu hao nhiên liệu giảm.
- Giảm độ ồn của động cơ.
Qua tham khảo và so sánh những động cơ tăng áp và không tăng áp ở
cùng một hãng sản xuất ta rút ra những ưu điểm sau đây của động cơ tăng áp
khi có cùng công suất:
- Trọng lượng và thể tích động cơ nhỏ hơn.


9

- Nếu dùng tua bin khí xả tận dụng năng lượng khí xả dẫn động máy
nén tăng áp thì hiệu suất động cơ cao hơn hẳn.

- Lượng nhiệt mất cho môi trường làm mát ít hơn, cơ cấu làm mát nhỏ
hơn.
- Giá thành của động cơ nhỏ hơn.
- Turbine đặt trên đường khí thải nên bản thân nó là bộ phận giảm âm
tốt cho động cơ.
- Công suất của động cơ tăng áp bằng turbine khí xả bị giảm ít hơn khi
mật độ không khí của môi trường giảm.
- Giảm lượng khí thải độc hại (NOx…).
Tuy nhiên, càng nâng cao mức độ tăng áp, động cơ Diesel càng bị
cường hóa nhanh về Pe sẽ làm tăng phụ tải cơ khí cũng như phụ tải nhiệt của
động cơ, do đó phải đặt ra những yêu cầu càng khắt khe khi chế tạo các chi
tiết của nhóm piston, các loại bạc trục, xupap, mặt qui lát… Ngoài ra còn đòi
hỏi hệ thống phun nhiên liệu mới hoàn hảo hơn, vòi phun có áp suất phun cao
hơn và hệ thống tăng áp turbine khí xả hoàn hảo hơn.
2.1.3 Lịch sử phát triển
Vào đầu những năm 1896, ý tưởng cung cấp khí nạp dưới áp lực cho
một động cơ Diesel được nêu bởi không ai khác mà đó là Rudolf Diesel,
người đã phát minh ra động cơ Diesel.
Tuy nhiên, sử dụng một tổ hợp turbine máy nén (TB-MN) tăng áp cho
mục đích trên là được thiết kế bởi Alfred Buchi, người đã sáng chế gọi nó là
“hệ thống xung áp” năm 1925. Hệ thống này cấp khí xả của động cơ thông
qua các ống hẹp cho turbine của tổ hợp TB-MN tăng áp, lai máy nén. Sự thay
đổi áp suất trong các ống thể tích nhỏ cho phép để cho sự trùng pha của pha


10

nạp và pha xả, cho phép quét khí của không gian nén trong xy lanh động cơ
với không khí sạch. Các xy lanh đó, không làm nhiễu quá trình quét của xy
lanh khác, được đưa tới một ống (khoang khí vào turbine) theo thứ tự nổ của

động cơ (hình 2.1). Ở quá trình quét khí, khi cơ cấu nạp và xả cùng mở,
không bị cản trở bởi các xung xả của xy lanh khác. Hệ thống xung áp này là
nền tảng cơ bản cho sự thành công của tăng áp sau này.

Hình 2.1: Sơ đồ thay đổi áp suất trong xy lanh
Pxl: áp suất trong xy lanh

px: áp suất trong ống xả

pr: áp suất trong bầu gió nạp

CA: góc quay trục khuỷu

Vào cuối năm 1928, Alfred Buchi đã có một bài thuyết trình tại Học
viện Kĩ thuật Hoàng Gia tại The Hague ở Hà Lan. Từ bài thuyết trình này chỉ
ra rằng ứng suất nhiệt của động cơ Diesel về cơ bản không tăng khi tăng áp.
Cải thiện suất tiêu hao nhiên liệu do hiệu suất cơ giới tốt hơn. Và một điều
nhìn thấy từ so sánh động cơ 4 kỳ10 xy lanh tăng áp tác dụng đơn và động cơ
4 kỳ 6 xy lanh tác dụng kép sử dụng cho hệ động lực tàu thủy với công suất
định mức 36000 Bhp, rằng động cơ tác dụng kép có nhiều ưu điểm. Cả động
cơ 2 kỳ tác dụng đơn hay tác dụng kép. Có ý tưởng cho ra rất sớm là tăng áp
động cơ – lai bơm quét khí ở động cơ 2 kỳ. Tuy nhiên, hiệu suất tổ hợp TB-


11

MN tăng áp cần thiết chưa đạt được, phải mất nhiều năm sau này mục tiêu
này mới đạt được.
Hệ thống tăng áp này đã được hãng BBC giới thiệu ra thị trường tổ hợp
TB-MN tăng áp VTR, nó có thể tăng áp cho động cơ 2 kỳ - lai bơm khí quét.

Các nhà chế tạo động cơ 2 kỳ bắt đầu áp dụng khả năng này sau năm 1945.
Nhưng để loại bỏ bơm quét khí và giảm suất tiêu hao nhiên liệu, hệ thống
tăng áp phải là một hệ thống xung áp. Đặc trưng này được giới thiệu thành
công trên động cơ động lực tàu thủy B&W vào năm 1951.
Việc sử dụng tổ hợp TB-MN tăng áp trên động cơ 2 kỳ và 4 kỳ tăng
nhanh. Nhờ vào sự phát triển và cải tiến liên tục tỉ số nén của máy nén, thiết
kế động cơ (áp suất cháy cho phép cao hơn) và hệ thống phun nhiên liệu tốt
hơn đạt được. Các cải tiến này và ứng dụng rộng rãi của thuộc tính nhiệt động
học của chu trình Diesel dẫn tới sự phát triển của tăng áp động cơ hiện hành.
2.1.3.1 Tăng áp động cơ Diesel 2 kỳ
Theo lịch sử phát triển, tăng áp cho động cơ 2 kỳ đã trải qua nhiều giai
đoạn (để đơn giản ta xét động cơ 2 kỳ quét thẳng). Động cơ 2 kỳ không tăng
áp cung cấp khí bởi bơm quét. Sau đó qua nhiều lần thay đổi phát triển, tua
bin máy nén tăng áp dòng VTR được sử dụng theo 2 hướng phát triển động
cơ. Một hướng vẫn giữ bơm quét và một hướng bỏ bơm quét mà dùng hệ
thống xung áp để thu đủ năng lượng cho turbine máy nén trong toàn bộ phạm
vi tải và tốc độ của động cơ. Bố trí điển hình của tổ hợp turbine máy nén tăng
áp được minh họa trên hình 2.2.


12

a)

b)

c)

Hình 2.2: Sơ đồ của động cơ 2 kỳ đặc trưng tăng áp xung áp và đẳng áp
a) Bố trí tăng áp xung áp động cơ 2 kỳ (B&W 1970)

b) Bố trí tăng áp đẳng áp và bơm quét khí nối tiếp máy nén tua bin tăng áp
(Gotaverken 1970)
c) Bố trí tăng áp đẳng áp ở động cơ 2 kỳ hiện đại, có quạt gió phụ (Man B&W)

Hình 2.3 so sánh định thời nạp và xả của hệ thống tăng áp đẳng áp có
bơm quét khí với hệ thống tăng áp xung áp không có bơm quét khí.
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. Năng lượng khí xả được
giữ lại bằng cách mở xupap xả sớm. Tuy nhiên điều này sẽ làm giảm bớt quá
trình giãn nở có ích của động cơ.


13

Hình 2.3:Thời điểm đóng và mở cơ cấu nạp và xả cho tăng áp
đẳng áp và xung áp .

Động cơ với bơm quét và tăng áp đẳng áp đặng trưng có thể làm điểm
mở xupap xả muộn hơn nhiều, nhưng lại lấy một phần năng lượng cho sự cấp
khí từ trục khuỷu. 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 tiêu hao nhiên liệu này tới 150-155 g/bhp (204-211 g/kWh).
Từ đó ta thấy rằng việc kết hợp tăng áp đẳng áp và không có bơm quét
sẽ cải thiện suất tiêu hao nhiên liệu. Điều này có thể thực hiện được với tổ
hợp tua bin máy nén có hiệu suất cao. Dòng turbine VTR hay MET được ra
đời vào những năm 70 của thập niên, 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 như mong đợi (hình 2.4).



14

Hình 2.4: Cải thiện suất tiêu hao nhiên liệu bởi mở sớm xupap xả

Việc lắp đặt thêm quạt gió phụ được lai bởi động cơ điện được sử dụng
khi khởi động cơ và khi chạy tải thấp.
Với hiệu suất và tỉ số tăng áp cao, các turbine máy nén tăng áp ngày
nay cho phép tăng công suất động cơ và giảm suất tiêu hao nhiên liệu, trạng
thái nhiệt động học của chu trình động cơ Diesel tốt hơn. Tổ hợp tua bin máy
nén VTR (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 từ 18-19 bar).
Các thế hệ tổ hợp TB-MN tăng áp tiếp theo, seri TPL của hãng ABB,
seri MET-MA của hãng Mitsubishi, seri TCA của hãng Man lắp đặt trên động
cơ 2 kỳ 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 tiệu thụ nhiên liệu.


15

2.1.3.2 Tăng áp động cơ Diesel 4 kỳ
Tăng áp cho động cơ 4 kỳ đã có ảnh hưởng bởi tính có lợi của tổ hợp
TB-MN tăng áp. Trong khi động cơ 4 kỳ tự hút, nó không phụ thuộc vào hiệu
suất tổ hợp TB-MN cao. Vậy điều gì làm cho tăng áp động cơ là cần thiết?
Là vì tổ hợp TB-MN tăng áp cho phép:
- Tăng công suất của động cơ ở cùng 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 2.5:Sự tăng tỉ số tăng áp theo thời gian

Tỉ số nén máy nén tăng qua từng năm biểu thị ở hình 2.5. Trong 20
năm, tỉ số tăng từ 1.3 tới 2 lần so với năm 1970. Ban đầu, động cơ 4 kỳ 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 tới 11.1. Áp
suất nén và cháy cực đại được giữ nguyên nhưng công suất ra tăng hơn 30%.
Điều này xét cho cùng có chút ảnh hưởng không tốt đến khởi động động cơ.


16

Từ những thành tựu đạt được, các nhà chế tạo động cơ thiết kế cho áp
suất cao hơn. Đưa sinh hàn gió vào nhằm giảm nhiệt độ của gió nạp đưa vào
xy lanh động cơ giúp tăng công suất tại mức áp suất tăng áp trung bình. (Ví
dụ: áp suất bình quân có ích là 10 bar, áp suất tăng áp là 0,6 bar (có sinh hàn
gió) và 0,85 bar (không có sinh hàn gió), xét ở cùng lượng khí nạp (kg) vào
xy lanh, không có sinh hàn gió thì nhiệt độ khí xả sẽ cao hơn 50oC so với có
sinh hàn gió).
Hình 2.6 Sự khác biệt trên đồ thị công chỉ thị của động cơ 4 kỳ có và
không có 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 2.6: So sánh đồ thị công chỉ thị của động cơ 4 kỳ
có và không có tăng áp


17


Đây cũng là lý do hiệu suất cơ của động cơ tăng ổn định cùng với mức
độ của tăng áp. Cùng với các yếu tố đó, động cơ tăng áp sẽ cho suất tiêu hao
nhiên liệu thấp với mức độ tăng áp tăng. Thêm vào đó, kết hợp nhiệt 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 kết hợp với làm
mát của không khí sẽ tăng mật độ (khối lượng riêng) của không khí đi vào xy
lanh. Bằng cách này, tỉ số của không khí trên nhiên liệu sẽ được duy trì ít thay
đổi. Sự phân phối nhiệt lượng cấp sinh ra từ nhiên liệu thay đổi đáng kể với
khi tăng mức độ tăng áp.
Điều này được minh họa ở hình 2.7. Nhiệt trong dầu bôi trơn tượng
trưng cho công suất cần khắc phục sự ma sát của động cơ (ví dụ: 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 thành
công quan trọng của tăng áp. A.Buchi đã đề cập tới trong bài thuyết trình của
ông năm 1928 và nó vẫn đúng đến ngày nay.
Hệ số truyền nhiệt từ khí xả tới thành vách phụ thuộc vào áp suất, hệ số
truyền nhiệt qua thành vách (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.


18

2.1.4 Những lợi ích của tăng áp
Xét cùng tốc độ và kích cỡ, động cơ Diesel tăng áp hiện đại có công

suất cao gấp 4 lần (400%) so với động cơ không tăng áp.

Hình 2.7: Sự phân phối nhiệt lượng khi đốt nhiên liệu khi tăng mức độ tăng áp

Từ hình 2.7, nó cho ta thấy nhiệt lượng ban đầu từ đốt nhiên liệu ở
công suất 400% đã tăng chỉ còn 320%. Điều này có nghĩa suất tiêu hao nhiên
liệu (SFOC) của động cơ Diesel hiện đại chỉ khoảng 80% của SFOC động cơ
không tăng áp. Do đó, động cơ tăng áp là cần thiết để bảo vệ môi trường tốt
hơn, nhiên liệu cháy và ít gây ô nhiễm không khí cũng như ít thải CO2 hơn.
Cũng vì thế, tổ hợp TB-MN tăng áp hiện đại kết hợp tỉ số áp suất cao với hiệu


19

suất cao là một nhân tố quan trọng khi quá trình động cơ được điều chỉnh cho
mức khí thải NOx thấp thông qua nhiệt độ quá trình thấp (tỉ số nhiên liệu –
không khí cao, áp suất gió tăng áp cao).

a, Sự gia tăng tỉ số tăng áp của MET

b,Sự gia tăng hiệu suất của VTR

*Loại VTR và MET được sử dụng nhiều nhất (lắp đặt trên khoảng 70% tổng
số máy chính theo đăng kiểm NK).
Hình 2.8. Sự gia tăng hiệu suất và tỉ số tăng áp của các tổ hợp TB-MN
tăng áp là kết quả của sự phát triển liên tục qua các năm

Hình 2.8 cho thấy hiệu suất và tỉ số tăng áp tổ hợp TB-MN phát triển
cho đến ngày nay, tỉ số tăng áp của máy nén cao cho phép tăng công suất
động cơ hơn. Cũng như hiệu suất cao cho phép turbine quét khí xả ra từ xy

lanh động cơ 4 kỳ tốt hơn, suất tiêu hao nhiên liệu đầy tải được cải thiện tốt
hơn. Động cơ 2 kỳ có thể giảm định thời cho xả và hút hoặc cho phép một
turbine khí xả động lực được lắp đặt nhằm chuyển năng lượng khí xả vượt
mức tới sản lượng có ích như lai máy phát điện…
Nhìn về tương lai, các mẫu thiết kế tổ hợp TB-MN tăng áp, được kết
hợp gọn hơn với tỉ số tăng áp cao và hiệu suất cao. Những động cơ không lắp
đặt tổ hợp TB-MN tăng áp khí xả sẽ không còn, tương lai phát triển mạnh mẽ
động cơ tăng áp bằng tổ hợp TB-MN tăng áp.


20

2.1.5 Xu hướng phát triển và hiệu suất của TB-MN
Đồ thị P-V điển hình cho tổ hợp TB-MN tăng áp được thể hiện trong
hình 2.9, với các đặc tính khai thác của động cơ Diesel 2 kỳ. Các đường cong
khai thác chạy gần như song song với đường dao động (đường làm việc mất
ổn định). Mỗi giá trị của công suất động cơ tương ứng với một điểm trên
đường cong, và điểm này lần lượt tương ứng với một tốc độ TB-MN tăng áp
được suy ra.
Đường cong khai thác và chế độ làm việc của tua bin tăng áp có thể
khác nhau, tùy thuộc vào tăng áp đẳng áp hoặc tăng áp xung được dùng và
cũng có thể vào bất kỳ dung tích (ví dụ như lai cơ khí) máy nén và tua bin
tăng áp được kết nối với nhau. Bằng cách quan sát những thay đổi trong chế
độ làm việc, nó thường có thể suy ra nguyên nhân và các biện pháp cần thiết
để khắc phục vấn đề.

Hình 2.9: Đồ thị P-V điển hình

Thiết kế tổ hợp TB-MN tăng áp và cải tiến hệ thống nạp tiếp tục được
nghiên cứu để nâng cao lượng tiết kiệm nhiên liệu và hiệu suất cụ thể của



21

động cơ Diesel. Phát triển hệ thống tăng áp cũng đóng góp để cải thiện độ tin
cậy động cơ (nhiệt độ thành phần và khí thấp hơn) và hoạt động linh hoạt (ví
dụ như chế độ nhỏ tải tốt hơn).
Tăng áp suất có ích bình quân của động cơ còn gọi là gia tăng áp suất
khí nạp, với hiệu suất turbine-máy nén tăng áp còn ít nhất ở mức tương tư.
Động cơ 2 kỳ thường hoạt động ở áp suất có ích bình quân (bmep) trên
19,5 bar, hiệu suất tăng áp trên 68% và tỷ số áp suất lên đến 4. Nâng bmep lên
đến 21 bar thì sự gia tăng hiệu suất tăng áp 70% và tỷ số áp suất tăng lên 4,2.
Một bmep cao hơn yêu cầu phải có một tỷ số áp suất cao hơn để giữ tỉ số khí
thừa cung cấp, đồng thời, hiệu suất tổ hợp TB-MN tăng áp cũng phải được
tăng lên để duy trì lượng khí và độ tinh khiết lượng khí trong xy lanh ở giá trị
mong muốn.

Hình 2.10: Xu hướng tổ hợp TB-MN tăng áp về hiệu suất và tỷ số áp suất
phù hợp áp suất có ích bình quân (bmep) trong động cơ 2 kỳ

Một phát triển có giá trị trong những năm gần đây trong phối hợp điểm
làm việc động cơ và tổ hợp turbine tăng áp là khái niệm “cửa thấp” đã lợi


22

dụng sự sẵn có hệ thống tăng áp mới với hiệu suất cao hơn (khoảng 68% thay
vì trước đây 65%). Như lượng không khí quét sạch yêu cầu có thể được phân
phối sử dụng năng lượng khí xả ít, chiều cao của các cửa khí quét có thể được
giảm và mở xupap xả trì hoãn, kéo dài kỳ giãn nở làm việc sinh công có ích

và do đó giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ đặc trưng. Một xem xét quan trọng là
lợi ích này có thể đạt được mà không làm tăng các nhiệt độ thành phần quan
trọng. Đồng thời, nhiệt độ khí xả không giảm quá thấp, do đó, duy trì khả
năng cho tận dụng nhiệt thải của khí xả.
Bố trí tăng áp phù hợp đạt được thông qua một quy trình thiết lập tốt.
Một đặc điểm kỹ thuật turbine-máy nén tăng áp thích hợp đặt ra trong quá
trình thiết kế động cơ được dựa trên việc tính toán các thông số nhất định, đặc
biệt là áp suất khí quét và hiệu suất tua bin tăng áp các chế độ làm việc của
động cơ. Biên độ an toàn mong muốn chống lại sự mất ổn định thường là 15%
đã rõ. Trong các thử nghiệm động cơ sau đó, áp suất khí quét được điều chỉnh
trên cơ sở kiểm tra phù hợp với yêu cầu quy định như mức hiệu suất TB-MN
tăng áp cho phép, dạng đường cong hiệu suất và sự cho phép liên quan. Nếu
cần thiết, ống phun tua bin được thay đổi.
Các thử nghiệm cũng được thực hiện để kiểm tra sự ổn định của động
cơ chống lại sự mất ổn định của hệ thống tăng áp, mà có thể đạt được một
trong ba cách: áp suất khí xả quay về có thể tăng tại công suất động cơ định
mức, nhiên liệu có thể được cắt ra một trong các xy lanh động cơ gần tua bin
tăng áp, trong khi động cơ đang chạy ở tải bộ phận và bộ tiêu công suất có thể
đột ngột giảm khoảng 25% từ đầy tải.
Trong khi đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng đối với hiệu suất và áp suất
khí nạp cao hơn, các nhà thiết kế TB-MN tăng áp cũng phải giải quyết các
yêu cầu như cấu hình gọn, tin cậy và bảo dưỡng tối thiểu. Tất cả các dịch vụ
và công việc sửa chữa lớn phải phù hợp với khoảng thời gian cho phép cho


23

các thành phần chính động cơ. Ngoài ra, khai thác động cơ an toàn đưa ra một
chiều rộng tối đa của bản đồ máy nén để tránh rơi vào vùng mất ổn định máy
nén (có khả năng xảy ra do những thay đổi trong điều kiện ảnh hưởng trong

khai thác bởi ô nhiễm, trong đó có các tác động tương tự như tốc độ giảm tại
mô-men xoắn không đổi).
Nhu cầu áp suất khí nạp cao hơn đòi hỏi tốc độ cao hơn của máy nén và
làm tăng mức độ âm thanh này sẽ thúc đẩy sự phát triển của bộ phận giảm âm
hiệu quả hơn cho tăng áp. Phát triển tua bin-máy nén tăng áp cũng tìm cách
nâng cao tốc độ dòng cụ thể cho một kích thước khung nhất định để đạt được
như một đơn vị nhỏ gọn nhất có thể cho hiệu quả chi phí, tiết kiệm không
gian và dễ dàng lắp đặt.
Các thiết kế TB-MN tăng áp đã theo đuổi cao hơn tỷ số áp suất, hiệu
suất nhiệt động học và tỷ lệ lưu lượng thể tích đặc trưng, cũng như giảm tiếng
ồn. Đơn giản và nhỏ gọn hơn các cấu hình mô-đun với vỏ bọc không được
làm mát, ổ trượt bên trong bôi trơn trực tiếp từ dầu bôi trơn động cơ tuần hoàn
và giảm đáng kể chi tiết hơn so với các thế hệ trước đó. Các đáp ứng về dịch
vụ dễ dàng hơn,nâng cao độ tin cậy và độ bền.
Các xu hướng nhất định trong các thông số động cơ có thể được xác
định chỉ ra phù hợp với sự phát triển của công nghệ TB-MN tăng áp, nổi bật
Wärtsilä làm công suất ra cao hơn nhận ít hơn lượng tiêu thụ nhiên liệu trên
mỗi kWh, hiệu suất động cơ cao hơn, khí thải thấp hơn, độ tin cậy động cơ cải
tiến, thời gian lâu hơn giữa sửa chữa lớn và chi phí sản xuất thấp hơn. Đây sẽ
là sự phát triển hơn TB-MN tăng áp có áp suất khí nén cao hơn, hiệu suất tua
bin tăng áp cao hơn, kích thước nhỏ gọn hơn và giá cả cạnh tranh.
Trị số Bmep đã tăng từ khoảng 17 bar động cơ 2 kỳ sử dụng trong
những năm 1990 và 19 bar vào năm 2000. Một mức độ như vậy đưa ra một tỷ
số áp suất và hiệu suất tăng lên từ tăng áp bởi vì nó quan trọng là điều kiện


24

ranh giới nhất định để duy trì độ tin cậy của động cơ, hạn chế mức độ khói
khi chạy một phần tải và giữ lại mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể hiện nay. Việc

sử dụng rộng lớn hơn của tua bin biến thiên hình học (VTG), tăng áp 2 cấp và
TB-MN tăng áp với dẫn động thiết bị phụ trợ cũng có thể thấy trước được.
2.2 Các phương pháp tăng áp trên động cơ Diesel tàu thủy
Ở động cơ Diesel, nếu khí nạp trước khi nạp vào xy lanh 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 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: tăng áp cơ khí (hoặc cơ giới), tăng áp tua bin
khí máy nén và tăng áp hỗn hợp.
2.2.1 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 piston, trục xoắn, quạt ly tâm hoặc quạt hướng trục được dẫn
động từ trục khuỷu của động cơ (hình 2.11).

Hình 2.11: 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


25

Trong tăng áp dẫn động cơ khí thì công suất của động cơ được xác định

theo quan hệ sau:
Ne = Ni – Nm –Nk

(2.7)

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 (2.7), 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.
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 suất chỉ
thị pi, vì vậy khi sử dụng tăng áp dẫn động cơ khí làm cho hiệu suất động cơ
giảm thì 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 nhiên liệu tăng ge> 180g/(ml.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.