1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn này là công trình khoa học do tôi thực hiện dưới
sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Bùi Hồng Dương. Ngoài các nội dung tham
khảo trong các tài liệu đã được liệt kê trong phần tài liệu tham khảo, luận văn
này không hề sao chép nội dung của bất kỳ một công trình khoa học nào tương
tự.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật về lời cam đoan của
mình.
Tp. Hồ Chí Minh, Ngày 12 tháng 05 năm 2015
Tác giả

Huỳnh Văn Tuấn


2

LỜI CẢM ƠN
“Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn TS.
Bùi Hồng Dương và các thầy, cô Khoa Máy Tàu Thủy - Trường Đại Học Giao
Thông Vận Tải thành phố Hồ Chí Minh, cùng toàn thể các bạn đồng nghiệp đã nhiệt
tình giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này”.


3

MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU THƯỜNG DÙNG
CÁC TỪ VIẾT TẮT
Carbon
ĐCĐT

Max
MN
MNK
Roto
Rpm
Surge line
TB
TBK – MN
Turbine

Khí các-bon
Động cơ đốt trong
Lớn nhất
Máy nén
Máy nén khí
Phần quay
Vòng trên phút
Đường giới hạn “ho”
Tua bin
Tua bin khí – máy nén
Tua bin


4

MỤC LỤC

MỤC LỤC HÌNH VẼ



5

MỤC LỤC BẢNG


6

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong khai thác tàu thủy thì tính kinh tế và tính an toàn của động cơ được đặt
lên hàng đầu. Những động cơ mới sẽ cho công suất cao, nhưng sau một thời gian
khai thác công suất của động cơ sẽ bị suy giảm. Việc suy giảm này do nhiều nguyên
nhân gây ra, trong đó có nguyên nhân về tổ hợp TBK – MN. Ở những đội tàu biển
Việt Nam hiện nay, những con tàu có tuổi thọ cao vẫn được khai thác. Do vậy, động
cơ của chúng là tương đối cũ nên việc khai thác chúng gặp rất nhiều khó khăn bởi
tình trạng xuống cấp của động cơ cũng như hiệu quả tăng áp của tổ hợp TBK – MN
ngày càng trở nên kém đi. Thiết bị thay thế trở nên đắt và khan hiếm hơn. Mục đích
nghiên cứu của đề tài này là giúp người quản lý tàu hiểu được các yếu tố làm suy
giảm công suất động cơ do tổ hợp TBK – MN để từ đó đưa ra kết hoạch bảo dưỡng
hợp lý hoặc thay thế bằng một tổ hợp TBK – MN mới có hiệu suất cao hơn, đồng
thời giảm đến mức tối thiểu các hỏng hóc sữa chữa liên quan đến tổ hợp TBK –
MN. Mặt khác cũng giúp cho người quản lý đội tàu hiểu rõ hơn mối quan hệ giữa tổ
hợp TBK – MN với ĐCĐT, ảnh hưởng của chúng đến công suất động cơ để duy trì
các chế độ khai thác, bảo dưỡng hợp lý để nâng cao khả năng hoạt động của động
cơ.
Lợi ích của việc lắp mới lại tổ hợp TBK – MN đã được khuyến khích từ phía
các nhà chế tạo khi cho rằng các model thế hệ mới – có hiệu suất chung cao hơn
nhiều thế hệ trước đó – có thể là một vấn đề rất đáng đầu tư trong những năm gần
đây. Lắp mới lại các tổ hợp TBK – MN mới có hiệu suất cao cho các động cơ cũ
hơn có thể được xem xét một cách kinh tế theo một hoặc nhiều luận điểm theo như

ABB trình bày sau:
-

Động cơ có nhiệt độ khí xả cao; áp suất khoang quét không thể tăng được tới

-

mức bình thường; không còn có thể hoạt động ở chế độ toàn tải nữa.
Nhu cầu cần giảm chi phí nhiên liệu hoặc ô nhiễm khí xả.
Nhu cầu cần tăng độ an toàn hoạt động của động cơ cho một giai đoạn hoạt
động kéo dài.


7

-

Đặc tính động cơ yêu cầu tối ưu đối với hoạt động chậm hoặc dạng hoạt

-

động mới khác.
Tuổi thọ không thoả mãn của các chi tiết chính của turbine tăng áp đã làm
việc do ăn mòn hoặc xói mòn; khó có phụ tùng của thế hệ turbine tăng áp cũ
hơn ở một số nhà máy và có thì rất đắt; cần đặt hàng thay thế turbine tăng áp
thì thới gian cung cấp quá lâu.
Để giúp cho các đội tàu Việt Nam nâng cao được công suất của động cơ và

khai thác động cơ đạt kinh tế cao; sau một thời gian học tập, nghiên cứu, được sự
tạo điều kiện của thầy trong khoa Máy tàu thủy, đặc biệt là sự hướng dẫn của Thầy

TS. Bùi Hồng Dương, tôi thực hiện đề tài "Tính toán để thay thế turbine-tăng áp
cho động cơ Diesel6uec45la trên tàu eminence".
2. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của đề tài
Việc tính toán đánh giá cho phép đưa ra các kết luận định lượng liên quan
đến công tác của tổ hợp TBK – MN với động cơ Diesel. Điều đó giúp cho người
quản lý khai thác tàu có được các kế hoạch chính xác liên quan đến bảo dưỡng, sửa
chữa, thay thế và khai thác.
Phân tích các bước tính toán đánh giá còn có thể chỉ ra chính xác các yếu tố
làm suy giảm tình trạng kỹ thuật của tổ hợp TBK – MN để có thể xây dựng kế
hoạch bảo dưỡng thường xuyên trong vận hành khai thác hệ động lực tàu
biển.Trong thời gian tới đây có thể có nhiều nghiên cứu để xây dựng phần mềm
chuyên dụng giúp cho người vận hành khai thác có được sự thuận lợi hơn trong
khai thác và đánh giá tình trạng kỹ thuật tổ hợp TBK – MN.
3. Nội dung chính của đề tài
Nội dung chính của đề tài bao gồm:
Mở đầu
Trong phần này, tác giả nêu lên tính cấp thiết của đề tài đó sự suy giảm công
suất của động cơ do tổ hợp TBK – MN gây ra. Ngoài ra, đối tượng nghiên cứu của
đề tài cũng được tác giả trình bày cụ thể trong phần mở đầu.
Chương 1: Tổng quan


8

Nội dung chương này trình bày khái quát các nghiên cứu trong và ngoài
nước liên quan đến đề tài. Những vấn đề còn tồn tại trong đề tài từ đó đưa ra hướng
phát triển cho đề tài. Những nội dung được nghiên cứu trong đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Nội dung chương 2 nói về lịch sử ra đời và phát triển của turbine tăng áp
dùng cho động cơ Diesel tàu thủy. Những khái niệm cơ bản về turbine tăng áp, hiệu

suất đạt được khi động cơ Diesel sử dụng turbine tăng áp. Các phương pháp tăng áp
trên tàu thủy hiện này. Ngoài ra tác giả cũng giới thiệu những loại turbine tăng áp
của các hãng trên thế giới. Mối quan hệ giữa TBK – MN với ĐCĐT, đây chính là
cơ sở lý thuyết và tiền đề để tác giả tính toán được hiệu suất của ĐCĐT khi sử dụng
TBK – MN. Lợi ích của việc thay mới tổ hợp TBK – MN.
Chương 3: Tính toán để thay thế turbine tăng áp cho động cơ Diesel
6UEC45LA trên tàu Eminence
Trong chương này, tác giả giới thiệu về động cơ 6UEC45LA trên tàu
Eminence. Lập chương trình tính toán thay thế tổ hợp TBK – MN cho ĐCĐT bằng
phầm mềm matlab. Qua đó tác giả đã lựa chọn được TBK – MN mới phù hợp với
động cơ.


9

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước
1.1.1 Những bất cập trong hệ thống tăng áp sau thời gian sử dụng
Trong quá trình khai thác động cơ diesel tàu thủy, thường xảy ra các hư hỏng
của hệ thống tăng áp. Dẫn đến các tính năng sử dụng của động cơ bị suy giảm.
Trong nhiều trường hợp phải thay thế tăng áp mới. Hiện nay có rất nhiều hãng sản
xuất tăng áp trên thế giới: Garrett, ABB, … Chất lượng tăng áp của các hãng này
đều tốt, nhưng việc lựa chọn được một tăng áp phù hợp nhất cho động cơ không
phải là một công việc dễ dàng. Nhất là đối với các động cơ đã cũ, được sản xuất bởi
Nhật trước đây. Trường hợp điển hình được xem xét trong đề tài nghiên cứu này là
động cơ 6UEC45LA trên tàu Eminence, qua thời gian dài khai thác đã xuống cấp
thường gặp hiện tượng động cơ tụt công suất, khó tăng tốc, tiêu hao nhiên liệu lớn.
Vì vậy nhu cầu thay thế một tăng áp mới là rất cần thiết để bảo đảm tính năng kỹ
chiến thuật của động cơ nói riêng và của tàu nói chung

Mặt khác các tăng áp thế hệ mới – có hiệu suất chung cao hơn nhiều thế hệ
trước đó – có thể là một vấn đề rất đáng đầu tư trong những năm gần đây. Lắp mới
lại các tăng áp có hiệu suất cao mới cho các động cơ cũ hơn có thể được xem xét
bởi các yếu tố sau:
-

Áp suất khí nạp không đảm bảo, dẫn đến áp suất nén trung bình thấp
Suất tiêu hao nhiên liệu lớn
Mức độ ô nhiễm của khí xả tăng lên.
Nhu cầu cần tăng độ an toàn hoạt động của động cơ cho một giai đoạn hoạt

-

động kéo dài.
Các chi tiết hoạt động lâu ngày, độ mài mòn tăng lên, dễ xảy ra hư hỏng.
Trong khi đó phụ tùng thay thế khó tìm kiếm trên thị trường


10

1.1.2 Tình hình nghiên cứu tính toán lựa chọn turbine tăng áp trong nước và
trên thế giới
Hiện nay khi lựa chọn tăng áp thay thế cho tăng áp cũ, thường dựa trên công
thức do các hãng sản xuất tăng áp đưa ra. Ví dụ hãng sản xuất tăng áp Garrett đưa
công thức thực nghiệm để chọn tăng áp:
Lưu lượng:
(1-1)
Áp suất:
(1-2)
Trong đó:

-

Wa: Lưu lượng khí nạp vào xy lanh (kg/phút)
MAPreq: Áp suất khí nạp;
HP: Công suất động cơ (kW)
A/F: Tỷ số không khí/Nhiên liệu;
BSFC: Suất tiêu hao nhiên liệu
R: Hằng số khí;
N: Tốc độ vòng quay trục khủy (v/p)
Vd: Thể tích xy lanh động cơ;
VE: Hệ số nạp
: Nhiệt độ ống góp khí xả;
Từ các công thức trên tính toán được áp suất và lưu lượng ở chế độ nhất

định. Cách tính này có ưu điểm là nhanh. Nhưng nhược điểm là độ chính xác không
cao, chỉ tính được một chế độ làm việc của động cơ, mặt khác không thể hiện hết
được bản chất mối liên hệ giữa động cơ và cụm turbine tăng áp.
1.2 Những vấn đề còn tồn tại
Với việc tính toán thay thế turbine tăng áp cho động cơ Diesel 6UEC45LA
trên tàu Eminence giúp hiệu suất khai thác động cơ tăng lên đáng kể. Song song đó
thì đề tài còn có những mặt hạn chế như chi phí thay mới turbine cao.
Chỉ áp dụng phần mềm matlab để xây dựng mối quan hệ giữa áp suất và lưu
lượng khí nạp trong các chế độ khác nhau. Các thông số của động cơ được lựa
chọn ban đầu là các thông số nhà sản xuất đưa ra, các đồ thị đặc tính máy nén sử


11

dụng để lựa chọn tăng áp là các tài liệu được phát hành rộng rãi của các hãng sản
xuất tăng áp đi kèm theo tăng áp

Các cơ cấu, hệ thống khác của động cơ tăng áp như cơ cấu phân phối khí,
làm mát, bôi trơn, hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống nạp xả không được đề cập
đến trong luận văn.
Để áp dụng kết quả tính toán lựa chọn tăng áp vào thực tế động cơ cần một
số thay đổi như thiết kế, điều chỉnh lại đường ống nạp, thải cho phù hợp với tăng áp
mới.
1.3 Các vấn đề cần nghiên cứu trong luận văn
Việc lựa chọn cụm TB – MN phù hợp đạt được các tiêu chí sau:
-

Tăng công suất động cơ, công suất động cơ phải được nâng cao về hướng
công suất khi động cơ mới xuất xưởng (công suất sau khi lắp tăng áp lớn hơn

-

so với khi dùng tăng áp cũ)
Giảm suất tiêu hao nhiên liệu. Cụm TB – MN mới phải mang lại tính kinh tế
cho người sử dụng. Suất tiêu hao nhiên liệu phải giảm từ 5 -10% so với dùng

-

tăng áp cũ
Khả năng khởi động và tăng tốc được cải thiện
Giảm lượng khí xả ra môi trường
Để đạt được các tiêu chí trên, đề tài dựa vào đặc tính khí động học của dòng

khí nạp, xả nghiên cứu mối quan hệ giữa động cơ và cụm turbine tăng áp. Tìm ra
mối quan hệ cốt lõi nhất, từ đó xây dựng đặc tính áp suất nạp liên hệ với lưu lượng
khí nạp trong các trường hợp cụ thể: n = const, Me = const, … Trong quá trình tính
toán, đề tài sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab để xây dựng được đồ thị quan hệ

giữa áp suất và lưu lượng khí nạp.
Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu mối quan hệ giữa cụm TB – MN và
động cơ đồng thời tính toán lựa chọn thay thế cho cụm TB – MN cũ, kết quả tính
toán có thể vận dụng cho các động cơ diesel công suất nhỏ khác (<500kW). Trình
tự tính toán lựa chọn TB – MN như hình 1.1


12

Hình 1.1 Các bước lựa chọn cụm TB – MN cho động cơ
Trong các bước trên, bước xây dựng mối quan hệ giữa áp suất - lưu lượng
khí nạp là bước khó khăn đòi hỏi kiến thức và kinh nghiệm tổng hợp. Để quá trình
tính toán được chính xác cần phải áp dụng công nghệ thông tin để tính toán (Trong
phạm vi đề tài này tác giả sử dụng Matlab)
Để lựa chọn loại turbine tăng áp giúp cho động cơ Diesel đạt được hiệu suất
cao nhất thì tác giả cũng giới thiệu một số loại turbine của các hãng. Qua đó, tác giả
đã so sánh và tính toán lựa chọn được loại turbine thay thế cho động cơ Diesel
6UEC45LA trên tàu Eminence.


13

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Cơ sở lý thuyết về turbine tăng áp và khai thác động cơ
2.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển của turbine tăng áp
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.
Lịch sử phát triển thiết bị turbine khí ở những thời kỳ đầu có liên quan đến

việc tìm kiếm chu trình thích hợp và trong phạm vi giới hạn của vật liệu chế tạo
cũng như mức phát triển thấp của khí động học.
Nếu như dự thảo thiết kế thiết bị turbine khí có từ trước thế kỷ 20 thì cách
thiết kế thích hợp với thực tế phải đến đầu thế kỷ 20 mới thực hiện được: năm 1902
Moss đã chế tạo turbine khí dùng để quay quạt nạp không khí cho động cơ đốt trong
kiểu piston. Trong năm 1905 Armangen và Laval đưa vào vận hành thiết bị turbine
khí với công suất 400 (kW) có nhiệt độ vào 5600C làm việc theo chu trình đẳng áp.
Năm 1909 Holzwarth cho vận hành thiết bị turbine khí với công suất 150
(kW) với chu trình đẳng tích. Những turbine đốt đẳng áp đầu tiên có hiệu suất
khoảng 3%, do hiệu suất thấp của quá trình nén và nhiệt độ thấp của sản phẩm cháy.
Những thiết bị turbine khí với quá trình cháy đẳng tích lúc đầu có hiệu suất tốt hơn
nhưng không vượt 14% với điều kiện vận hành khó hơn. Sự hoàn thiện turbine khí
về mặt vật liệu chế tạo cũng như mẫu thiết kế thích hợp càng rõ ràng sau nhiều năm
vận hành và những lần thử có ý nghĩa.
Năm 1922 Pescara phát minh tổ hợp động cơ piston đốt trong không cần cơ
cấu thanh truyền với turbine khí được dùng làm nguồn công suất hữu ích. Bằng
cách bố trí này có thể đạt được hiệu suất cao hơn trong các máy phát năng lượng
với nhiệt độ tương đối thấp và nguyên liệu lại rẻ hơn.


14

Hình 2.2 Sơ đồ thay đổi áp suất trong xi lanh
Pcyl1: áp suất trong xy lanh; pexh: áp suất trong ống xả; pR: áp suất trong bầu
gió nạp; CA: góc quay trục khuỷu.
Nhà phát minh nổi tiếng Whittle năm 1930 đã thiết kế một thiết bị turbine
khí cho động cơ máy bay. Ưu điểm nổi bật của thiết bị này khi dùng cho máy bay
so với các động cơ đốt trong kiểu piston là hiệu suất nhiệt cao hơn. Năm 1973 dưới
sự lãnh đạo của nhà phát minh đã đưa vào vận hành động cơ máy bay kiểu turbine
đầu tiên. Năm 1938 hãng BBC đưa vào vận hành thiết bị turbine khí chạy máy phát

điện với công suất 4000 (kW), trong nhà máy điện ngầm dự trữ của Thụy Sĩ. Nhịp
điệu phát triển của turbine khí đặc biệt tăng nhanh trong chiến tranh thế giới thứ hai,
các nước tham chiến đều tìm kiếm những phương tiện đặc biệt mạnh và các loại
động cơ có sức kéo trội hơn để dùng cho các máy bay chiến đấu với tốc độ cao.
Điều này thúc đẩy tốc độ phát triển turbine khí. Sự phát triển của turbine khí sau
chiến tranh càng sâu và mạnh hơn theo những hướng chủ yếu trong chiến tranh thế
giới đã tới mức chỉ trong thời gian rất ngắn, turbine khí dùng cho máy bay đã loại
động cơ piston ra khỏi lĩnh vực quốc phòng và sau đó là các máy bay dân dụng, rồi
tới những máy móc nhỏ đặc biệt có công suất thấp.
Sự phát triển của turbine máy bay đặc biệt đẩy nhanh sự phát triển khí động
học phần truyền dòng khí (các dãy cánh) của máy nén và của turbine, của thiết bị


15

đốt và vật liệu chế tạo. Tất cả những vấn đề trên đã thúc đẩy và tập hợp nhiều
ngành, khoa học kỹ thuật khác như lĩnh vực của các máy quay có cánh quạt trong
công nghiệp, giao thông vận tải ngày càng phát triển và xích lại gần nhau hơn.
2.1.2 Khái niệm cơ bản về turbine tăng áp tàu thủy
Để tận dụng nguồn năng lượng khí thải nhằm tăng hiệu công suất của động
cơ, turbine khí xả được đưa vào sử dụng, đầu tiên ở động cơ bốn kỳ và sau đó được
sử dụng cho cả động cơ hai kỳ; đặc biệt loại động cơ hai kỳ công suất lớn. Mức tăng
hiệu suất động cơ khi tăng áp bằng turbine khí xả phụ thuộc nhiều vào chế độ tải
của động cơ. Đối với động cơ lai chân vịt, tải động cơ cao đồng nghĩa với vòng
quay động cơ tăng là điều kiện thuận lợi cho turbine khí xả tăng hiệu quả làm việc;
lý do nằm ở chỗ, không những công suất turbine lai phụ thuộc vào công đơn vị của
dòng khí xả và lưu lượng dòng khí xa, mà với turbine thì khi khai thác ở khu vực
định mức sẽ tạo điều kiện phát huy cao nhất hiệu suất của chúng (xem Hình 2.3
quan hệ lưu lượng và áp suất, hiệu suất của hệ thống tăng áp turbine khí xả).


Hình 2.3 quan hệ lưu lượng và áp suất, hiệu suất của hệ thống tăng áp
turbine khí xả
Nói chung các turbine tăng áp đều thuộc loại turbine xung kích có độ phản
kích nhỏ và chúng được chia ra hai loại chính dựa trên cơ sở tận dụng năng lượng


16

khí xả từ động cơ. Đó là turbine sử dụng xung áp suất là chính (còn gọi là turbine
biến áp với đặc trưng áp suất trước turbine thay đổi) và turbine đẳng áp (với đặc
trưng áp suất không đổi trước turbine). Cả hai loại trên đều có thể được chế tạo theo
kiểu cho dòng khí xả vào turbine theo hướng tâm (xem Hình 2.4 turbine hướng tâm)
hoặc dọc trục (xem Hình 2.5 Turbine hướng trục). Bố trí dòng khí xả vào turbine
hướng tâm cho thường có tốc độ quay nằm trong khoảng 25000- 250.000
vòng/phút, đường kính bánh công tác từ 35-220 (mm), công suất từ 15-750 (kW).
Bố trí dòng khí xả vào turbine theo hướng dọc trục với tốc độ quay từ vài ngàn
vòng/phút tới hàng chục ngàn vòng/phút, đường kính bánh công tác từ 220-1000
mm, công suất turbine từ 150-100000 (kW).

Hình 2.4 turbine hướng tâm
1-Lối vào của khí xả
2-Lối ra của khí xả

3-Lối vào của không khí
4-Buồng đẩy của khí nén


17

Hình 2.5 Turbine hướng trục

2.1.3 Ưu điểm của động cơ tăng áp
-

Tăng khối lượng riêng của không khí nạp vào xi lanh
Tăng áp suất có ích bình quân
Tăng công suất động cơ
Giảm suất tiêu hao nhiên liệu
Việc tăng áp suất có ích bình quân cần được cân nhắc trong quá trình thiết kế

hiệu suất động cơ. Nó là một chỉ tiêu được dùng để so sánh các động cơ khác nhau
trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Áp suất chỉ thị bình quân của một động cơ
bao giờ cũng cao hơn áp suất có ích bình quân. Lượng chênh lệch nàylà do áp suất
có ích bình quân đã tính đến hiệu suất truyền động cơ khí từ công suất tới trục động
cơ. Tăng áp bằng turbine có thể làm tăng công suất có ích của động cơ lên từ 50 đến
70%, nhiều loại có mức tăng công suất cao hơn 2 – 3 lần công suất khi tăng áp so
với động cơ không tăng áp cùng loại. Ví dụ một động cơ không tăng áp có thể sinh
ra 1000 (HP), khi được tăng áp nó có thể sinh ra từ 1500 đến 1700 (HP).
Tăng áp mang lại hai hiệu quả: nhiệt độ khí xả không tăng quá cao và suất
tiêu hao nhiên liệu của động cơ giảm xuống, tức là lượng nhiên liệu cần để sinh một
mã lực ít hơn so với ở các động cơ không tăng áp. Tuy nhiên, do công suất ra tăng,
nên tổng lượng nhiên liệu cần cho động cơ vẫn tăng. Hệ thống làm mát trên các
động cơ không tăng áp không cần phải thay đổi để phù hợp với việc tăng áp. Áp
suất cháy cực đại trong động cơ được tăng áp cũng không tăng quá cao.


18

Hình 2.6 Đồ thị so sánh giữa động cơ tăng áp và không tăng áp ở động cơ 4 kỳ
Chú thích:
-


With turbocharging: có tăng áp
Without turbocharging: không tăng áp
Trên (Hình 2.6 Đồ thị so sánh giữa động cơ tăng áp và không tăng áp ở động

cơ 4 kỳ) là đồ thị thể hiện mới quan hệ giữa áp suất và thể tích khí nạp của động cơ
được tăng áp. Nếu áp suất cháy cực đại cao hơn, thì không được khai thác, mà phải
được khắc phục bằng cách sử dụng một động cơ được tăng áp như trên đồ thị p-V.


19

Nếu không có các biện pháp kèm theo, khi một động cơ bình thường được tăng áp
thì nó sẽ bị quá tải. Áp suất cháy cực đại và nhiệt độ có thể rất cao làm hỏng các ổ
đỡ và piston. Thông thường có một giải pháp là giảm tỉ số nén. Đối với động cơ
không tăng áp tỷ số nén là 15:1, còn tỷ số nén trong động cơ tăng áp có thể được
giảm xuống chỉ còn 13:1.
Trên (Hình 2.7 Góc phân phối khí của động cơ tăng áp và không tăng áp) là
đồ thị hình tròn phân phối khí của động cơ không tăng áp, vùng chấm trên đó là
vùng ứng với thời điểm mà xuppap hút đóng và xuppap xả mở trong động cơ có
tăng áp. Chú ý rằng góc trùng khớp ở động cơ có tăng áp là 120 0 lớn hơn nhiều so
với ở động cơ không tăng áp từ 10÷400. Góc trùng khớp lớn hơn sẽ làm tăng thời
gian để không khí vào làm mát xuppap xả, đỉnh piston, và vách xilanh; nhờ vậy,
một phần “trách nhiệm” không hoàn thành của hệ thống nước làm mát sẽ được khí
nạp “san sẻ”. Rất có thể chúng ta sẽ cần phải có một bơm làm mát mới và/hoặc
tăng thêm lượng nước làm mát sơmi. Nếu muốn chuyển đổi một động cơ không
tăng áp thành có tăng áp ta cần có một trục cam mới để các xuppap mở thật chính
xác.

Hình 2.7 Góc phân phối khí của động cơ tăng áp và không tăng áp



20

2.1.4 Xu hướng phát triển và hiệu suất của turbine tăng áp
Sự phát triển của hệ thống tăng áp cải thiện độ tin cậy và hoạt động linh hoạt
của động cơ. Việc tăng áp suất có ích bình quân của động cơ còn gọi là gia tăng áp
suất khí nạp.
Đồ thị P-V điển hình cho tổ hợp TBK – MN tăng áp được thể hiện trong xem
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 ứngvới một tốc độ TBK - MN tăng áp được suy ra.
Đường cong khai thác và chế độ làm việc của turbine 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 turbine 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 2.8 Đồ thị P – V điển hình
Thiết kế tổ hợp TBK – 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 động cơ
Diesel. Phát triển hệ thống tăng áp cũng đóng góp để cải thiện độ tin cậy động cơ


21

(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 tự.
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 hiệu suất tăng áp gia tăng lên điểm 70% và tỷ số áp suất tăng lên đến 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 TBK – 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.


22

Hình 2.9 Xu hướng áp suất có ích bình quân (MEP) của động cơ phù hợp turbine
tăng áp về hiệu suất và tỷ số áp suất
Trong đó: Tỉ số tăng áp suất chính là tỉ số giữa áp suất không khí ra với áp
suất vào của máy nén:
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”. Nó đã lợi dụng sự
sẵn có hệ thống tăng áp mới với hiệu suất cao hơn (khoảng 68% thay vì trước đây
65%). Lưu lượng không khí quét sạch yêu cầu có thể được tạo ra bởi việc phân phối
sử dụng năng lượng khí xả ít, chiều cao của các cửa khí quét có thể được giảm và
mở xupap xả muộn hơn, 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 turbine tăng áp các chế độ làm việc của động cơ. Biên độ an toàn



23

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 TBK – MN tăng áp cho phép, dạng đường
cong hiệu suất và sự cho phép liên quan. Nếu cần thiết ống phun turbine 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 turbine 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 TBK – 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 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 TBK – MN 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 TBK – MN tăng áp đã theo hướng dùng tỷ số áp suất cao hơn,
hiệu suất nhiệt động học và tỷ lệ lưu lượng thể tích riêng cao hơn, cũng như giảm
tiếng ồn. Kết cấu đơn giản và nhỏ gọn hơn các cấu hình mô-đun với vỏ bọc không

được làm mát, các ổ đỡ trượt bên trong bôi trơn trực tiếp từ dầu bôi trơn động cơ


24

tuần hoàn và giảm đáng kể chi tiết hơn so với các thế hệ trước đó. Việc sửa chữa sẽ
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 TBK – MN tăng áp, nổi bật Wärtsilä làm
công suất ra cao hơn và có lượng tiêu thụ nhiên liệu trên mỗi (kW/h) thấp hơn, hiệu
suất động cơ cao hơn, nhiệt độ khí xả thấp hơn, độ tin cậy động cơ cải tiến và thời
gian lâu hơn giữa sửa chữa lớn và chi phí sản xuất thấp hơn. Đây sẽ là sự phát triển
hơn TBK – MN tăng áp có ápsuất khí nén cao hơn, hiệu suất turbine tăng áp cao
hơn, kích thước nhỏ gọn hơn và giá cả cạnh tranh.
Trị số Bmep đã tăng từ khoảng 17 bar cho động cơ 2 kỳ được 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 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
turbine biến thiên hình học (VTG), tăng áp 2 cấp và TBK – MN tăng áp với dẫn
động từ thiết bị phụ trợ cũng có thể thấy trước cho mấy năm tới đây.
2.2 Tăng áp
Hình 2.9 chỉ ra là một động cơ tăng áp và sự sắp xếp của nó với động cơ.
Trong hình máy nén nhận không khí. Gió được nén thì tỉ trọng tăng. Gió sau khi
được nén vào động cơ, gió nén này trộn với nhiên liệu trong buồng đốt (Heywood,
p. 248) trong sự trở lại này được giới hạn bởi số lượng không khí được giới thiệu
vào mỗi xy lanh trong mỗi kỳ khác nhau. (Heywood, p.248). cũng bằng sự giới
thiệu một số lượng lớn của không khí đi vào xy lanh là cơ hội tăng buồng đốt, do đó
việc tăng công suất của động cơ. Động cơ sau khi cháy trộn được thảy ra thông qua
ống góp khí xả vào không khí.



25

Hình 2.10 Động cơ đốt trong có tăng áp
2.2.1

Máy nén
Máy nén được dùng trong thiết bị tăng áp dùng năng lượng để sinh công. Khi

máy nén nhận năng lượng cơ bản trong việc xác định tổng hiệu suất của động cơ.
Bởi vì công suất ra của động cơ tăng lên khi sử dụng một tăng áp của công suất này
được sử dụng để dẫn động máy nén. Số lượng công được sinh ra bởi piston được
chia vào việc chạy máy nén và chạy động cơ. Trong tổ hợp TBMN khí xả được
dùng để dẫn động máy nén, Bởi vậy tất cả các công sinh ra từ xy lanh được dùng
trong việc chạy động cơ. Công sinh ra truyền đến máy nén có thể được tính từ
phương trình nhiệt động 1. Phương trình (2-1), đại diện cho phương trình nhiệt
động 1 khi được áp dụng để điều khiển dung tích xung quanh hợp thành thiết bị
turbine.
(2-3)
Khi sử dụng phương trình (2-1), phương trình chuyển đổi công có thể được
lập phương trình từ máy nén. Từ số lượng sinh công của máy nén được bao hàm
nhiều hơn sự mất nhiệt từ xunh quanh hoặc mất do ma sát, bởi vậy giới hạn Q trong
phương trình trên là bằng nhau đến “0”. Cũng như công được liên quan động học và
khả năng năng lượng của máy nén là cũng như “0” như được so sánh để bao gồm
việc sinh công. Phương trình (2-2) mô tả mối quan hệ giữa tốc độ sinh công đầu vào
sự thay đổi en- tan- pi của hệ thống.
(2-2)