ĐỘNG CƠ DIESEL CỠ LỚN THẤP TỐC

3.1 Giới thiệu chung.

Động cơ diesel cỡ lớn thấp tốc thường sử dụng dưới tàu thủy làm máy

chính, lai trực tiếp thiết bị đẩy tàu là chân vịt. Chúng thường là loại động cơ

hai kỳ tăng áp, có patanh bàn trượt, hành trình dài, vòng quay trục khuỷu

thấp nhưng tốc độ chuyển động của piston rất cao và được thiết kế để sử

dụng nhiên liệu có chất lượng thấp.

Hình 3.1 Động cơ S50MC hãng MAN BW

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 31 Hiện nay , các động cơ thấp tốc cỡ lớn được chế tạo chủ yếu bởi các hãng sau

: MAN BW, WARTSILA (SULZER) , MITSUBISHI...

3.2 Các chi tiết tĩnh

Các chi tiết tĩnh chính (hình 3.1) của động cơ lớn, thấp tốc bao gồm: bệ

máy, khung máy, bệ đỡ chính, khối xylanh, sơmi xylanh, nắp xylanh.

Hình 3.2 Các chi tiết tĩnh chính động cơ thấp tốc cỡ lớn.

3.2.1 Bệ máy

Bệ máy (hình 3.2) là nền móng cho động cơ và còn là cácte chứa dầu nhờn bôi

trơn.

Bệ máy liên kết chặt thân động cơ với các chi tiết tĩnh và chịu lực của các chi

tiết chuyển động. Bệ máy phải có độ bền, độ cứng vững thích hợp để chịu được lực

uốn theo chiều dọc. Bệ máy của động cơ lớn thấp tốc được chế tạo từ các tấm thép

hàn, do đó có thể giảm được trọng lượng và tăng độ cứng cho bệ máy.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 32 Kết cấu của bệ máy bao gồm các dầm dọc và tấm ngang. Các dầm ngang chứa ổ

đỡ chính trục khuỷu, có tác dụng tăng độ cứng vững theo chiều ngang cho bệ máy.

Các dầm ngang chia bệ máy thành các khoang tương ứng với số xylanh.

Hình 3.3 Bệ máy

3.2.2 Ổ đỡ chính trục khuỷu

Ổ đỡ chính dùng để đỡ trục khuỷu. Mỗi ổ đỡ chính bao gồm nắp ổ đỡ và hai

bạc lót hình trụ (hình 3.4)

Hình 3.4 Ổ đỡ chính

Bạc lót này có thể là loại bạc dày hoặc mỏng kim loại để chế tạo bạc lót là hợp

kim babít. Trước đây người ta thường sử dụng loại bạc dày, nhưng thời gian gần đây

người ta chuyển sang sử dụng bạc mỏng có độ bền mỏi cao.

Hình 3.4 cũng mô tả ổ đõ chính điển hình bởi các căn đệm giữa hai nữa bạc

lót. Dầu nhờn bôi trơn thường được cấp vào bạc lót qua lỗ phía trên của nắp ổ

đỡ. Phía trong bạc lót có rãnh dẫn dầu bôi trơn để đảm bảo dầu nhờn phân bố

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 33 đều xung quanh bạc lót. Bạc lót được đặt trong ổ đỡ chính và được cố định nắp

ổ đỡ bằng các gu-dông và êcu hoặc kích chống.

3.2.3 Khung máy

Khung máy đặt trên bệ máy, nó được cấu tạo bởi các khung hình hộp có các

tấm dọc và các vách ngang "hình chữ A" (hình 3.5) Khung máy phải có nắp có thể

mở để kiểm tra bên trong cácte. Nó còn phải có ống thông hơi, các thiết bị an toàn

như: van an toàn, thiết bị kiểm tra hơi dầu trong cácte khi động cơ làm việc. Trên

khung máy có lắp bulông liên kết khung máy với bệ máy, hoặc bệ máy với khung

và khối sơmi xylanh.

Hình 3.5 Khung máy

3.2.4 Khối xylanh

Khối xylanh của động cơ thấp tốc là các khối độc lập. Chúng bao gồm từ ba

đến mười hai khối giống nhau và liên kết với nhau bằng các bulông. Cấu tạo khối

xylanh của động cơ hai kỳ phức tạp hơn so với động cơ bốn kỳ vì chúng có các

cửa quét và cửa xả (đối với động cơ quét vòng). Giữa khối xylanh và sơmi xilanh

có không gian cho nước làm mát tuần hoàn (hình 3.6).

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 34

Hình 3.6 Thân xi lanh

3.2.5 Sơmi xylanh

Sơmi xylanh của động cơ hai kỳ công suất lớn, thấp tốc chế tạo bằng phương

pháp đúc và có cấu tạo không gian làm mát như hình 3.7.

Hình 3.7 Sơ mi xi lanh

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 35 Sơmi xylanh phải có khẳ năng chịu được hai ứng suất: ứng suất cơ do áp suất

cháy và ứng suất nhiệt do sự chênh lệch nhiệt độ giữa vách trong và vách ngoài

sơmi xylanh. Bề mặt phía tiếp xúc với nước làm mát của sơmi xylanh sẽ là nơi

xuất hiện các vết nứt đầu tiên. Các vết nứt này ngày càng sâu và xuyên qua thành

sơmi xylanh; sau đó tiếp tục kéo dài xung quanh chu vi sơmi xylanh.

Sơmi xylanh của các động cơ có đường kính lớn, hoặc có patanh bàn trượt

được bôi trơn bằng cách dùng các bơm dầu nhờn kiểu piston cụm, cấp dầu nhờn bôi

trơn cho sơmi xylanh qua các lỗ trên sơmi xylanh. Các lỗ dầu này được khoan ở

phía trên của sơmi xylanh để hạn chế sự mài mòn sơmi xylanh. Trên các lỗ dầu

nhờn này người ta bố trí các van một chiều để ngăn ngừa việc dầu nhờn chảy ngược

lại do tác dụng của áp lực khí cháy. Các miệng lỗ phía trong sơmi xylanh được nối

với nhau bằng rãnh lượn sóng, hoặc thẳng để phân phối dầu nhờn đều xung quanh

chu vi sơmi xylanh (hình 3.7) Dầu bôi trơn cấp vào khi xécmăng đầu tiên đi qua các

lỗ dầu ở hành trình đi lên của piston.

3.2.6 Nắp xylanh

Hình 3.9 Nắp xi lanh động cơ hai kỳ quýet thẳng

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 36

Nắp xylanh cùng với đỉnh piston, thành sơmi xylanh tạo thành không gian

buồng đốt. Nó rất dễ bị cháy và nứt do tiếp xúc trực tiếp với khí cháy có áp suất

và nhiệt độ cao. Do điều kiện làm việc, nắp xylanh cần phải làm mát thích hợp.

Việc thiết kế nắp xylanh phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: kích thước sơmi

xylanh, các xupáp, vòi phun và hình dáng của buồng đốt. Nắp xylanh của động cơ

hai kỳ, tác dụng đơn, quét thẳng qua xupáp có cấu tạo tương tự như nắp xylanh

của động cơ bốn kỳ (hình 3.9). Nắp xylanh của động cơ hai kỳ quét vòng chỉ có

các lỗ để lắp vòi phun, van khởi động và có cấu tạo đơn giản hơn.

Nắp xylanh được làm mát bằng nước, đường nước vào làm mát ở phía ngoài

nắp xylanh, đường nước làm mát ra được lắp ở vị trí cao nhất để tránh tạo thành các

túi hơi trong khoảng thời gian làm mát. Các túi hơi có thể là nguyên nhân tạo thành

các vùng quá nhiệt và dẫn đến hiện tượng rạn nứt.

3.3 Các chi tiết chuyển động

3.3.1 Nhóm piston và xéc măng

a. Piston.

Piston là một chi tiết quan trọng, quyết định khả năng sinh công của động cơ

đốt trong. Có hai loại piston : piston của động cơ không có patanh bàn trượt và

piston của động cơ có bàn trượt. Piston của động cơ có patanh bàn trượt hiện đại

được làm mát bằng dầu nhờn. Dầu nhờn vào làm mát piston bằng ống lồng, sau đó

đi ra bằng đường ống trong cán piston. Đỉnh piston được chế tạo bằng vật liệu có

khả năng chịu được áp suất và nhiệt độ cao. Đỉnh piston điển hình được chế từ

thép chịu nhiệt như: hợp kim crôm, môlíp đen, niken. Loại piston này chịu

được ứng suất kéo, hạn chế được rạn nứt. Để tăng khả năng chịu mài mòn, va

đập, rãnh xécmăng thường được phủ một lớp crôm hoặc được hoá cứng.

Piston của các động cơ hai kỳ quét vòng có patanh bàn trượt có phần dẫn

hướng dài để ngăn không cho cửa quét và của xả thnôg nhau khi piston ở ĐCT.

Phần dẫn hướng thường được chế tạo bằng gang vì phải tải nhiệt và cơ trên phần

dẫn hướng nhỏ hơn phần đỉnh piston. Trên phần dẫn hướng có thể lắp các đai bằng

đồng thau để hạn chế mài mòn sơmi xylanh. Piston của các động cơ hai kỳ quét

thẳng có patanh bàn trượt, hành trình dài thì không có phần dẫn hướng vì patanh bàn

trượt giữ vai trò dẫn hướng. Đối với các động cơ không có patanh bàn trượt, piston

có phần dẫn hướng dài hơn. Vật liệu chế tạo piston phụ thuộc vào kích thước, loại

nhiên liệu sử dụng và tốc độ động cơ.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 37

Hình 3.10 Piston động cơ hai kỳ quýet thẳng

Đỉnh piston tiếp xúc trực tiếp với khí cháy, nhưng cần phải duy trì nhiệt độ của

nó dưới 5000

C để đảm bảo độ bền của piston. Đỉnh piston phải có độ dày cần thiết

để có khả năng chịu được lực của khí cháy. Quá trình truyền nhiệt từ đỉnh piston cho

sơmi xyanh phải diễn ra đều xung quanh piston.Vị trí nào truyền nhiệt kém sẽ làm

cho piston bị quá nhiệt, là nguyên nhân làm cho piston bị biến dạng dẫn đến quá

trình mài mòn sơmi xylanh. Trong trường hợp đặc biệt, đây cũng có thể là nguyên

nhân làm kẹt piston.

Giữa piston và sơmi xylanh phải luôn tồn tại khe hở cho sự giãn nở vì nhiệt.

Hầu hết piston có đường kính đỉnh piston nhỏ hơn phần dẫn hướng vì đỉnh piston có

nhiệt độ cao hơn phần dẫn hướng. Giá trị khe hở này phụ thuộc vào công suất

và vật liệu chế tạo piston. Nó nằm trong khoảng 0,01% đường kính piston đối với

piston thép rèn, 0,1% đối với piston chế tạo bằng hợp kim nhôm.

Hình 3.11 Piston động cơ hai kỳ SulzerRTA84T

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 38

Nếu piston được làm mát bằng nước thì cần phải làm kín khoang nước làm mát

để tránh rò lọt nước xuống cácte. Với piston làm mát bằng dầu nhờn thì vị trí đường

dầu vào thường cao hơn vị trí đường dầu ra do đó không gian làm mát thường không

đầy dầu. Khi động cơ hoạt động sẽ làm cho lượng dầu trong khoang làm mát lắc

mạnh và toàn bộ bề mặt làm mát sẽ tiếp xúc với một lớp dầu và hiệu quả làm mát

tăng lên (hình 3.12).

Hình 3.12 Làm mát Piston động cơ hai kỳ quýet thẳng

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 39 2. Xéc Măng

Xéc măng có nhiệm vụ :

- Làm kín buồng đốt ngăn không cho rò lọt khí cháy và khí nén.

- Gạt dầu bôi trơn cho sơmi xylanh.

- Dẫn nhiệt từ piston đến sơmi xylanh.

a. Kết Cấu Xéc Măng:

Có hai loại xéc măng: xéc măng khí và xéc măng dầu (hình 3.13)

Xéc măng nằm trong rãnh trên piston, vị trí của xéc măng trên cùng không

được quá cao để đảm bảo nhiệt độ của xéc măng không quá cao, tránh làm cháy dầu

nhờn và làm kẹt xéc măng. Xéc măng phải có khả năng chuyển động tự do trong

rãnh, do đó giữa xéc măng và rãnh xéc măng phải có khe hở cần thiết theo chiều dày

của xéc măng.

Hình 3.13 Xéc măng khí và xéc măng dầu

b. Kiểm tra, lắp ráp xéc măng

- Khe hở của xéc măng có ba loại:

- Khe hở giữa hai đầu của xéc măng khi xéc măng nằm trong sơmi xylanh

gọi là khe hở miệng. Trước khi lắp xéc măng vào piston phải đưa xéc măng vào

sơmi xylanh sao cho mặt phẳng của xéc măng vuông góc với đường tâm sơmi

xylanh, vị trí đặt xéc măng trong sơmi xylanh phải có độ mài mòn ít nhất. Dùng

thước lá đo khoảng cách giữa hai đầu của xéc măng. Các nhà máy chế tạo động cơ

đã chỉ rõ giá trị khe hở nhỏ nhất và lớn nhất. Nếu khe hở nhỏ hơn giá trị nhỏ nhất

thì hai đầu của xéc măng có thể chống vào nhau do sự giãn nở vì nhiệt của xéc măng

khi động cơ làm việc. Đó là nguyên nhân làm cho xéc măng bó chặt sơmi xylanh,

làm tăng ma sát giữa piston và somi xylanh; trong một số trường hợp có thể làm kẹt

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 40 piston. Nếu khe hở lớn hơn giá trị lớn nhất, khí cháy sẽ rò lọt qua xéc măng xuống

cácte làm giảm áp suất nén và có thể là nguyên nhân gây nổ cácte.

- Khe hở thứ hai là khe hở cạnh là khoảng cách giữa mặt trên của xéc

măng và mặt trên của rãnh xéc măng. Khe hở này đo bằng thước lá và cũng có

giá trị lớn nhất và nhỏ nhất do nhà máy chế tạo ra (hình 3.14).

-Khe hở thứ ba không cấn đo, chỉ cần kiểm tra là khe hở lưng. Khe hở này

nhất thiết phải có tức là chiều dày của xéc măng phải nhỏ hơn chiều sâu của rãnh

xéc măng. Nếu không có khe hở này thì xéc măng có thể sẽ không co giãn được,

làm tăng ma sát và kẹt piston

Hình 3.14 Kiểm tra kích thước của xéc măng

c. Điều kiện làm việc.

Xéc măng làm việc trong điều kiện rất nặng nề. Tải tác dụng lên xéc măng

luôn dao động, khi piston làm việc ở ĐCT xéc măng có tốc độ thấp nhất,

nhưng nhiệt độ cao nhất. Xéc măng phải chịu đựng ăn mòn của sản phẩm cháy.

Kết hợp với tính chất chống ăn mòn, xéc măng phải có độ đàn hồi cao, không

bị gãy. Xéc măng phải duy trì được độ căng ở áp suất cháy thấp hơn và phù hợp

với vật liệu chế tạo sơ mi xilanh. Xéc măng thường được chế tạo bằng hợp kim gang

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 41 than chì. Thành phần chủ yếu của vật liệu chế tạo xec măng cho động cơ hai kỳ

cho trong bảng sau :

Thành phần Ký hiệu Thành phần %

Các bon C 3,15

Silic Si 1,55

Phốt pho P 0,20

Măng gan Mn 0,90

Crôm Cr 0,15

Mô lyp đen Mo 0,60

Đồng Cu 0,75

d. Các hư hỏng thường gặp

Kẹt xéc măng là vấn đề cần quan tâm, tuy nhiên chúng ta có thể kiểm tra trạng

thái tự do của xéc măng qua cửa quét (động cơ hai kỳ). Dùng que kiểm tra ấn vào

xéc măng nếu thấy đàn hồi thì xéc măng không bị kẹt hoặc gãy, nếu xéc măng nằm

cứng trong rãnh thì xéc măng bi kẹt, nếu xéc măng ở trạng thái tự do nhưng không

đàn hồi thì xéc măng đã bi gãy. Nếu thấy hiện màu đen, hoặc tối trên bề mặt xéc

măng thì đó là biểu hiện xéc măng bi thải. Khi bị gãy, các mẫu gãy của xéc măng có

thể đi vào ống xả, vì vậy cần kiểm tra ống xả.

Nguyên nhân làm gãy xéc măng có thể do : va vào các cửa quét, xả, xéc măng, rãnh

xéc măng bị mài mòn quá mức làm xéc măng bị nghiêng trong quá trình chuyển

động, chất lượng nguyên liệu không tốt dẫn đến tốc độ tăng áp suất nhanh. Chế

độ khởi động nặng nề áp suất thường xuyên vượt quá giới hạn cho phép (van an

toàn bị mở) cũng là nguyên nhân làm gãy xéc măng.

Xéc măng bị ngiêng là nguyên nhân chính gây hư hỏng (hình 3.15) nếu lực

căng của xéc măng không đủ lớn để tì sát vào sơ mi xilanh thì áp suất khí cháy sẽ

đẩy xéc măng co lại và lọt qua là nguyên nhân làm xéc măng bị nghiêng và gãy

trong rãnh.

Những nguyên nhân khác làm xéc măng bị nghiêng có thễ là:

- Có muội cứng trong rãnh xéc măng

- Khe hở xéc măng nhỏ

- Xéc măng bị kẹt trong rãnh

- Khả năng làm kín giữa xéc măng và mặt dưới rãnh xéc măng không tốt

- Các góc của tiết diện ngang xéc măng quá tròn

Gãy, mòn xéc măng có thể dẫn đến hiện tượng thổi các xéc măng khác,cháy

hộp gió quét. Thổi xéc măng còn phá huỷ màng dầu bôi trơn làm tăng tốc độ mài

mòn. Khi bị thổi, xéc măng có màu tối trên mặt tiếp xúc với sơ milanh

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 42 3.3.2 Thanh truyền và cơ cấu con trượt

a. Thanh truyền

Thanh truyền là cơ cấu có chức năng biến chuyển động tịnh tiến của piston

thành chuyển động quay của trục khuỷu. Trong quá trình làm việc, thanh truyền chịu

tác động của lực khí cháy từ piston để truyền cho cổ khuỷu với động cơ diesel cỡ

lớn đầu to thanh truyền nối với cổ khuỷu còn đầu nhỏ nối với cơ cấu con trượt.

Hình 3.15 mô tả thanh truyền động cơ diesel cỡ lớn ,trong đó về kết cấu có

thể chia làm các phần: đầu nhỏ, đầu to và thân thanh truyền, thân thanh truyền

thường có tiết diện có lỗ khoan rỗng, nơi tiếp giáp có với hai đầu được làm thuôn

đều để tránh tập trung ứng xuất. Đầu nhỏ thanh truyền có dạng hình chữ Y, thường

được chế tạo rời với hai bạc lót để lắp vào ắc của con chuột. Đầu to thanh truyền

cũng được chế tạo rời với bạc lót để lắp vào cổ khuỷu. Hình 3.15 mô tả kết cấu

đầu nhỏ thanh truyền lắp ráp giữa thanh truyền với con trượt

Hình 3.15 Thanh truyền động cơ RTA84C

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 43

b. Cơ cấu con trượt

Những động cơ cỡ lớn, thấp tốc, có hành trình dài hoặc siêu dài thường có con

trượt và dẫn hường con trượt (thường gọi là cơ cấu patanh bàn trượt). Piston và

càn piston chỉ chuyển động theo phương thẳng đứng do đó phần dẫn hướng piston

không tỳ vào sơ mi xilanh, vì vậy phần dẫn hướng của các piston loại này rất ngắn.

Chính con trượt sẽ chịu thành phần lực pháp tuyến trong đó, bàn dẫn hướng con

trượt được cố định vào khung động cơ. Cấu tạo của patanh bàn trượt gồm con

trượt và bàn trượt dẫn hướng, được mô tả trên hình 3.16

Hình 3.16 Thanh truyền và con trượt động cơ UEC-H

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 44

Hình 3.17 Đầu nhỏ thanhtruyền và con trượt

c. Bu lông thanh truyền

Bu lông thanh truyền ,thường được gọi là bu lông biên,là các bu lông liên kết

giữa các hai nửa chứa bạc lót đầu to biên với cổ khuỷu.

Hình 3.18 Các lọai bu lông biên

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 45 Bu lông biên là chi tiết chuyển động rất quan trọng, được kiểm tra nghiêm ngặt

trong quá trình tháo lắp, bảo dưỡng sửa chữa. Sự cố đứt bu lông biên thường

kèm theo những hư hỏng nghiêm trọng của động cơ. Mỗi đầu to biên thường có

hai hoặc bốn bu lông với hình thức kết cấu rât đa dạng (hình 3.18).Các bu lông

biên thường được chế tạo từ vật liệu có độ bền mỏi cao, kích thước chính xác với

lỗ định cữ ở đầu to thanh truyền. Lực xiết các bu lông biên do nhà chế tạo quy

định và có ý nghĩa quan trọng hàng đầu. Độ giãn dài của bu lông biên được kiểm

tra bằng dưỡng chuyên dùng.

b. Bộ làm kín các piston

Các động cơ diesel cỡ lớn với piston có cán và cơ cấu con trượt thường được

trang bị bộ làm kín cán piston. Bộ làm kín cán piston ngăn cách giữa hốc dưới

piston và cácte có nhiệm vụ ngăn không cho khí quét, khí cháy, dầu bôi trơn sơmi

xilanh rò lọt xuống cácte và gạt dầu bôi trơn cán piston xuống cácte hoặc xuống két

riêng.

Hình 3.19 mô tả cấu tạo của bộ làm kín cán piston, trong đó nhóm xéc măng

đầu có nhiệm vụ không cho dầu bôi trơn sơ mi xilanh rò lọt xuống cácte; nhóm xéc

măng giữa có nhiệm vụ làm kín không cho khí quét, khí cháy rò lọt xuống các-te;

nhóm xéc măng cuối có nhiệm vụ gạt dầu bôi trơn cán piston xuống cácte, hoặc

xuống két riêng.

Hình 3.19 Làm kín cán piston

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 46

3.3.3 Trục khuỷu

Trục khuỷu là một trong những chi tiết chịu tải nặng nề và chế tạo khó khăn

nhất trong các chi tiết của động cơ diesel. Trục khuỷu chịu tác dụng của áp lực khí

cháy cũng như các lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến và quay .

Các lực này gây ra các mô men xoắn và mô men uốn,thay đổi cả chiều và độ lớn.

Tác động nặng nề nhất đối với trục khuỷu động cơ cỡ lớn là mô men uốn.

Hình 3.20 Trục khuỷu

Về cấu tạo, trục khuỷu có thể gồm các cồ trục (cổ chính), cổ khuỷu, má

khuỷu và đối trọng (hình 3.20). Tuỳ theo số lượng khuỷu trục (số xylanh) kích

thước các cổ, chiều dài mà trục khuỷu có thể làm liền hoặc ghép. Các khuỷu trục

của động cơ nhiều xylanh được bố trí nhằm mục đích cân bằng động cơ khi làm

việc. Việc bố trí vị trí của các khuỷu trục quyết định thứ tự nổ của động cơ.

3.4 Hệ thống trao đổi khí

Quá trình cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong động cơ đốt trong phụ

thuộc rất nhiều vào luợng không khí mới nạp vào sơmi xylanh. Quá trình cháy

không thể đạt được hiệu suất cao nếu không khí mới nạp vào sơmi xlanh có lẫn

cả khí cháy từ chu trình trước, giá trị áp suất cháy cực đại cũng giới hạn bởi khối

lượng không khí nạp vào sơ mi xylanh. Điều này có nghĩa là hiệu suất của quá trình

cháy phụ thuộc vào mức độ hoàn thiện của quá trình trao đổi khí.

3.4.1 Các phương pháp quét khí

Trong các động cơ hai kỳ lớn, thấp tốc quá trình quét khí được thực hiện trong

một khoảng thời gian ngắn giữa cuối của kỳ dãn nở và đầu kỳ nén. Do quá trình trao

đổi khí ở động cơ hai kỳ không hoàn thiện so với động cơ bốn kỳ.

Các phương pháp quét khí trong thực tế được chia thành các loại sau :

Quét ngang: các động cơ hai kỳ quét ngang, cửa quét và cửa xả trên sơmi

xylanh nằm đối diện nhau. Khí quét sẽ đi ngang qua sơmi xylanh từ cửa quét vòng

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 47 lên trên và đi ra cửa xả ở phía đối diện. Hiệu suất của phương pháp quét khí này

thấp nhất vì có nhiều khí quét đi thẳng từ cửa quét ra cửa xả.

Quét vòng: các động cơ hai kỳ quét vòng cửa quét và cửa xả nằm cùng một

phía của sơmi xylanh. Khí quét đi vào trong sơmi xylanh qua cửa quét vòng lên trên

đuổi khí cháy trong sơmi xylanh ra ngoài qua cửa xả. Hiệu suất quét của phương

pháp này cao hơn quét ngang (hình3.21).

Hình 3.21 Trao đổi kiểu quét ngang và quét vòng

Quét thẳng: Các động cơ hai kỳ quét thẳng cửa quét nằm trên sơ mi

xilanh, còn xupáp xả trên nắp xilanh, hoặc cũng nằm trên sơ mi xilanh nhưng ở

phía trên (động cơ piston đối đỉnh). Khí quét đi vào sơ mi xilanh theo hướng tiếp

tuyến nên không khí sẽ chuyển động xoáy dọc theo vách sơ mi xilanh đuổi khí cháy

ra ngoài.

Hình 3.22 Trao đổi khí kiểu quét thẳng

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 48 Chuyển động xoáy của dòng khí quét trong sơ mi xilanh làm cho quá trình trao

đổi khí hoàn thiện hơn (hình 2.22). Hiệu suất của phương pháp này cao nhất

trong số các phương pháp trên.

3.4.2 Cơ cấu truyền động

Các cơ cấu truyền động của hệ thống trao đổi khí bao gồm: trục cam, cam,

con lăn, cần đẩy và đòn gánh. Hình 2.23 mô tả cơ cấu truyền động điển hình của hệ

thống trao đổi khí.

Hình 3.23 Cơ cấu truyền động của hệ thống trao đổi khí.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 49

Khoảng cách từ đầu cán xupáp đến đòn gánh, còn gọi là khe hở nhiệt, được

điều chỉnh bằng bulông trên đầu đòn gánh mà cần đẩy tì vào. Lực tác dụng

không thẳng tâm của đòn gánh lên cán xupáp làm cho cán xupáp và ống dẫn hướng

bị mài mòn nhanh chóng.

Các động cơ cỡ lớn, thấp tốc trục cam được dẫn động từ trục khuỷu bằng bánh

răng hoặc xích. tỷ số truyền của trục khuỷu và trục cam là 1:1 đối với động cơ hai

kỳ, 2:1 đối với động cơ bốn kỳ.

Hình 3.24 Cơ cấu dẫn động trục cam

Hình 3.24 mô tả cơ cấu dẫn động trục cam bằng bánh răng (a) và dẫn động xích

(b) của động cơ hai kỳ.

3.4.3 Xupáp nạp và xả

Xupáp nạp và xả ảnh hưởng rất lớn đến quá trình làm việc của động cơ. Các

động cơ trung tốc có bốn xupáp sẽ tăng tỷ lệ diện tích trao đổi khí so với diện tích bề

mặt buồng đốt. Các động cơ có hai kỳ quét thẳng có patanh bàn trượt có một xupáp

xả nằm ở giữa nắp xilanh (hình 3.25).

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 50

Hình 3.25 Kết cấu Xu pápxả động cơ 2 kỳ

Các xupáp nạp nói chung ít hư hỏng hơn vì nó được làm mát bằng chính dòng

khí nạp. Các xupáp xả hay bị hư hỏng do bị ăn mòn ở nhiệt độ cao của natri,

vanađi. Để hạn chế hư hỏng cho xupáp xả cần duy trì nhiệt độ dưới 450o

C và định

kỳ bảo dưỡng. Các động cơ lớn, thường xử dụng xupáp hộp để thuận lợi cho việc

tháo bảo dưỡng.

a. Vật liệu chế tạo

Độ bền nhiệt là yêu cầu rất quan trọng đối với xupáp. Xupáp phải có khả năng

chịu được ăn mòn và mài mòn. Xupáp xả dùng cho các động cơ cao tốc thường

được chế tạo bằng hợp kim bao gồm 20% niken, 20% crôm; hoặc bằng thép chịu

nhiệt 25% niken,12% crôm. Nấm xupáp chế tạo bằng hợp kim 50% coban, 30%

crôm,20% vonfram. Xupáp nạp được chế tạo bằng hợp kim bao gồm 3% niken,

0,3% crôm.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 51 Đế xupáp nói chung được chế tạo bằng hợp kim gang bao gồm trên 50%

crôm, thép chịu nhiệt hoặc stenlit. Cán xupáp được hoá cứng bằng cách phủ một lớp

cacbua vonfram, hoặc crôm. Dẫn hướng cán xupáp được chế tạo bằng hợp kim

pec-lit-gang và làm cứng bề mặt.

b. Làm mát

Phần lớn nhiệt lượng được truyền từ xupáp tới đế xupáp. Do đó xupáp phải tiếp

xúc tốt với đế xupáp, đặc biệt là ở nhiệt độ cao. Độ nghiêng tương đối giữa bề mặt

tiếp xúc của xupáp và đế xupáp sẽ đảm bảo toàn bộ bề mặt của xupáp và đế của

xupáp sẽ tiếp xúc với nhau khi làm việc ở nhiệt độ cao. Xupáp hộp thường được

làm mát bằng nước, do đó nâng cao khả năng làm mát và việc bảo dưỡng đơn giản

hơn. Đế xupáp cũng được làm mát bằng nước. Hình 3.26 mô tả sự phân bố nhiệt độ

trên nấm xupáp và các chi tiết trong khu vực buồng đốt .

Hình 3.26 Phân bố nhiệt độ trên nấm xupáp và khu vực buồng đốt động cơ RTA84T

Nhiệt lượng truyền đến cán xupáp thường rất nhỏ và có thể tăng phần nhiệt

lượng này lên nhờ sử dụng vật liệu có độ dẫn nhiệt cao hơn; làm rỗng cán xupáp

cho đầy natri; hoặc làm mát cán xupáp bằng nước. Tuy nhiên việc làm mát cán xupáp

sẽ tăng khả năng ăn mòn.

c. Cơ cấu xoay xupáp

Mục đích của việc xoay xupáp trong quá trình làm việc của động cơ là: Gạt

muội bám trên nấm của xupáp và đế xupáp, không cho muội bám vào bề mặt

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 52 làm việc cũa nấm và đế xupáp. Duy trì nhiệt độ xung quanh đế xupáp, hạn chế tình

trạng quá nóng cho xupáp để tăng thời gian sử dụng.

Có hai phương pháp cơ bản làm xoay xupáp: Phương pháp xoay bằng cơ khí

mỗi khi xupáp đóng và mở hoặc gắn lên cán xupáp các cánh (tua bin) tận dụng

năng lượng dòng khí xả thổi vào để xoay xupáp.

d. Hiện tượng cháy xupáp

Một vấn đề rất lớn cần được quan tâm là hiện tượng cháy bề mặt công tác (cần

làm kín) của xupáp, đặc biệt là xupáp xả của động cơ bốn kỳ. Các nguyên nhân

chính gây nên hiện tượng cháy xupáp, bao gồm:

Xupáp đóng không kín có thể do muội bám trên nấm hoặc đế xupáp,

hoặc do khe hở nhiệt qua nhỏ.

Chất lượng nhiên liệu không tốt. Nếu nhiên liệu có hàm lượng vanađi cao sẽ

dẫn tới hiện tượng ăn mòn ở nhiệt độ cao, đặt biệt trong trường hợp có mặt natri.

Hàm lượng nước cao trong nhiên liệu cũng là nguyên nhân làm cho xupáp bám

nhiều muội.

Cháy không tốt. Chất lượng nhiên liệu không tốt, hoặc chất lượng vòi phun

kém làm cho quá trình cháy rớt tăng ngay cả khi xupáp đã mở vẫn đang diễn ra quá

trình cháy.

Quá nhiệt, đây có thể là do động cơ quá tải, làm nhiệt độ khí xả tăng, hoặc

do sự lưu thông của nước làm mát kém.

Cháy xupáp, khí xả sẽ rò qua bộ mặt làm kín của xupáp. Nếu khí cháy rò ít

thì không quan trọng lắm, nhưng khí xả sẽ ngày càng rò nhiều hơn, nhiệt độ khí

xả sẽ tăng. Trong trường hợp cần thiết thì phải cắt nhiên liệu của xilanh đó. Phát

hiện xupáp bị rò càng sớm càng tốt. Tốc độ của khí cháy rò qua xupáp cao sẽ làm

hỏng xupáp. Đế xupáp bị mòn qua mức làm cho bề mặt làm kín giữa xupáp và nấm

xupáp sẽ bị lõm xuống tạo thành vành lõm xung quanh nấm xupáp làm tăng sức cản

lưu thông của khí xả.

Cán xupáp bị mòn cũng là một vấn đề cần quan tâm. Những xupáp lớn cần

cung cấp đủ dầu bôi trơn. Đối với động cơ không có patanh - bàn trượt mòn cán

xupáp sẽ làm tăng tiêu hao dầu nhờnvà dẫn tới hiện tượng thổi, làm hỏng cán

xupáp. Đối với động cơ có patanh- bàn trượt của hãng MAN-B&W người ta sử

dụng gió lò xo gió dùng để đóng xupáp cùng với hơi dầu để làm kín cán xupáp.

e. Bảo dưỡng xupáp

Xupáp sau khi tháo ra phải được làm sạch các bon, muội sau đó kiểm tra

bằng mắt. Kích thước của cán xupáp cũng phải kiểm tra và so sánh với thông số giớ

hạn của nhà máy chế tạo, nếu vượt qua giới hạn cần thay thế hoặc sửa chữa ngay

nếu có thể. bề mặt làm kín của xupáp cần kiểm tra xem có bị xước, rỗ, hoặc cháy

không. Phải xác định rõ kích thước các vết hư hỏng (rỗ, xước, cháy) để xem cần gửi

về nhà máy sửa chữa hay bảo dưỡng trên tàu.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 53 Đối với các động cơ nhỏ, có thể sử dụng cát rà carbonrundum để rà kín xupáp

cùng với đế xupáp. Lúc đầu dùng cát rà thô cho đến khi hết các vết rỗ, lõm... thì

dùng cát trung bình và cuối cùng dùng cát rà mịn để rà bóng bề mặt. Sau khi rà xong

phải rửa xupáp trong kerosene. Bôi một lớp dầu nhờn mỏng lên cán xupáp rồi lắp

lại. Không nên dùng cát rà cho những xupáp lớn. Những xupáp này phải được mài

trên máy mài chuyên dùng và bề mặt làm kín phải có góc nghiêng chính xác. Sau

khi mài xong xupáp hoặc đế xupáp phải được vệ sinh sạch, sau đó kiểm tra diện tích

tiếp xúc giữa xupáp và đế xupáp bằng bột màu. Nếu góc nghiêng của bề mặt làm kín

giữa xupáp và đế xupáp chính xác thì trên bề mặt làm kín đế xupáp chỉ có một

đường nhỏ, tròn kín xung quanh, nếu góc nghiêng không chính xác thì toàn bộ bề

mặt kín đế xupáp sẽ bị phủ màu. Bề mặt làm kín của đế xupáp và xupáp có góc

nghiêng khác nhau sẽ đảm bảo toàn bộ hai bề mặt làm kín sẽ tiếp xúc với nhau khi

hai bề mặt làm kín tiếp xúc với nhau khi xupáp làm việc ở nhiệt độ cao. Một vài nhà

máy chế tạo động cơ cung cấp dưỡng để kiểm tra xem xupáp và cán xupáp còn có

thể tiếp tục mài nữa hay không. Không gian làm mát của xupáp hộp nên kiểm tra

mỗi khi sửa chữa, nếu thấy cặn bám trên bề mặt làm mát hoặc có sự ăn mòn thì

chứng tỏ rằng việc sử lý nước làm mát chưa tốt.

f. Hiện đại hoá điều khiển xupáp

Trên các động cơ hai kỳ quét thẳng phương pháp dẫn động cho xupáp bằng

thuỷ lực đã thay thế cho cơ cấu dẫn động bằng cơ khí. Cơ cấu dẫn động bằng thuỷ

lực có ưu điểm là bảo dưỡng đơn giản, chi phí bảo dưỡng cũng ít hơn.

Xupáp thường được đóng bằng lò so, nhưng động cơ có patnh- bàn trượt xupáp

được đóng bằng khí điều khiển. Ưu điểm của phương pháp này là giảm được rung

trong quá trình làm việc. Trên hình 3.27 mô tả nguyên lý làm việc của cơ cấu này.

Khi xupáp xả mở thì khí điều khiển ở dưới piston được xả ra ngoài. Khi

piston của bơm actuator đi lên tạo ra áp suất lớn tác dụng lên piston điều khiển mở

trên đỉnh cán xupáp, xupáp sẽ được mở. Khi khí điều khiển cấp vào khoan dưới

piston (gọi là lò xo gió) và dầu xả ra ngoài thì xupáp sẽ đóng. Có thể tác động vào

van điều khiển xả dầu hay dùng để thay đổi thời điểm đóng xupáp (VEC-control:

Variable Exhaust Closing). Việc điều chỉnh thời điểm đóng xupáp nạp làm cho

đường đặc tímh suất tiêu hao năng lượng thoải mái hơn trong đặc tính phụ tải.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 54

Hình 3.27 Hệ thống truyền động đóng mở xupáp

Hãng Wartsila NSD sử dụng hệ thống VEC điện tử cho động cơ cỡ lớn có

patanh -bàn trượt. Khi ở hcế độ tải nhỏ VEC đóng xả sớm hơn, cho kết quả tăng

được cả áp suất nén và áp suất cháy. Hình 3.30, 3.31 và 3.32 mô tả độ nâng của

xupáp, áp suất trong xilanh và suất tiêu hao nhiên liệu khi có và không có VEC.

Cơ cấu VEC có nhiệm vụ xả dầu của bơm Actuator, xupáp sẽ được đóng lại nhờ

lò xo gió. Thời điểm đóng xupáp phụ thuộc vào công suất động cơ, được điều

khiển bởi áp suất gió nạp và tốc độ quay của động cơ. VEC làm việc trong

khoảng 65 ÷ 80% công suất định mức.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 55

Hình 3.28 Cơ cấu VEC động cơ Wartsilla NSD RTA

Hình 3.29 Độ mở xupáp và áp suất trong xilanh động cơ

Hình 3.30 Thay đổi thông số công tác động cơ có VEC

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 56 3.5 Cung cấp nhiên liệu cho động cơ

3.5.1 Những yêu cầu đối với hệ thồng nhiên liệu

- Lượng nhiên liệu vào các sơ mi xilanh phải chính xác và bằng nhau.

- Góc phun sớm của các xilanh phải bằng nhau, góc phun sớm này do nhà

máy chế tạo động cơ đưa ra.

- Quy luật cung cấp nhiên liệu của các xilanh phải giống nhau.

- Chất lượng phun sương phải đảm bảo. Kích thước các hạt nhiên liệu càng nhỏ

càng tốt.

- Độ dài và kích thước của chùm tia nhiên liệu phải hợp lý. Điều này cho

phép tạo ra diện tích vùng cháy lớn hơn trong buồng đốt.

- Hệ thống phải làm việc ổn định ở tốc độ quay thấp.

- Hệ thống phải làm việc tin cậy ở tất cả các chế độ tải.

3.5.2 Phân loại quá trình phun

- Thay đổi thời điểm đầu cấp, thời điểm cuối cấp không thay đổi.

- Thay đổi thời điểm cuối cấp, thời điểm đầu cấp không thay đổi.

- Thay đổi cả thời điểm đầu cấp và cuối cấp.

3.5.3. Bơm cao áp

Bơm cao áp thường được dùng trong thời gian gần đây gồm hai kiểu chính:

kiểu van và kiểu piston có rãnh xéo.

Bơm cao áp làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, đòi hỏi mức độ chính xác

cao, do đó nó được chế tạo bằng thép đặc biệt cứng, có đủ độ cứng và độ bền để

không bị mài mòn và biến dạng. Nói chung, bơm cao áp kiểu van thường dùng cho

các động cơ cỡ trung bình và lớn, bơm cao áp kiểu piston có rãnh xéo thường được

dùng cho động cơ cỡ trung bình và nhỏ. Nhưng trong thực tế hầu hết các động cơ

đều sử dụng bơm cao áp kiểu rãnh xéo, kiểu bơm này chiếm tới 90% số lượng.

a. Bơm kiểu van

Hình 3.31 là cấu tạo của bơm cao áp kiểu van. Van hút ở vị trí mở khi

piston của bơm cao áp ở vị trí Đ.C.D. Khi piston đi lên van hút (suction valve)

từ từ đóng lại cho đến khi van hút bắt đầu đóng hoàn toàn trong khi van tràn ( spill

valve) vẫn đóng, đó chính là thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu .

Piston của bơm cao áp tiếp tục đi lên cho đến khi van tràn bắt đầu mở. Lúc

này nhiên liệu bắt đầu tràn qua van tràn trở lại van hút, đó là thời điểm bắt đầu

phun. Khi piston bắt đầu đi xuống thì áp suất trong xilanh bơm cao áp giảm thấp

hơn áp suất trước van hút, do đó van hút tự mở, nhiên liệu nạp vào bơm cao áp.

Piston tiếp tục đi xuống van hút sẽ được mở cưỡng bức. Khi xoay trục lệch tâm của

van tràn thì sẽ điều chỉnh được lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình. Trục

lệch tâm này được nối với bộ điều tốc.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 57

Hình 3.31 Nguyên lý bơm cao áp dạng van

Hình 3.32 Bơm cao áp kiểu van hãng Wartsila (Sulzer )

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 58 b. Bơm kiểu piston có rãnh xéo

Các động cơ hai kỳ thấp tốc cỡ lớn hiện nay thường dùng bơm cao áp kiểu

rãnh xéo. Hình 3.34 mô tả rãnh xéo trên piston bơm cao áp (plunger).

Hình 3.33 Rãnh xéo trên piston (plunger) bơm cao áp

Việc điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình dựa trên nguyên tắc

thay đổi hành trình có ích của plunger nhờ xoay plunger bằng thanh răng.

Hình 3.34 Cấu tạo của bơm cao áp dạng piston rãnh xéo (plunger)

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 59

Hình 3.35 Cấu tạo của bơm cao áp hãng MANBW-S60MC

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 60 Trên thân xilanh bơm cao áp có hai lỗ thoát dầu, plunger của bơm trong quá

trình chuyển động sẽ đóng mở hai lỗ này (Hình 3.35). Phía trên của bơm có van hút

và van puncture. Van puncture bao gồm piston được điều khiển bằng khí điều khiển.

Khi có tín hiệu dừng động cơ khí điều khiển sẽ cấp vào, piston đi xuống đẩy van hút

mở, nhiên liệu trở lại tuần hoàn trong không gian xung quanh bơm không cấp đến

vòi phun nữa. Trên đường ống nhiên liệu cấp vào vòi phun có lấp bộ giảm chấn

để khử dao động của áp suất nhiên liệu.

Áp suất nhiên liệu trước bơm cao áp khoảng 8 Kg/cm2

, được duy trì nhờ bơm

cấp dầu trong hệ thống nhiên liệu. Nhiên liệu sẽ tuần hoàn trong không gian xung

quanh bơm trong thời gian nhiên liệu không được cấp đến vòi phun. Nhờ khả năng

tuần hoàn của nhiên liệu mà bơm cao áp và nhiên liệu luôn được hâm nóng ngay cả

khi động cơ dừng. Trong hành trình hút của bơm cao áp van hút mở, nhiên liệu được

nạp vào bơm. Ngay khi plunger đóng lỗ thoát trên thân xilanh ở hành trình di lên

của plunger, nhiên liệu sẽ được cấp đến vòi phun. Quá trình phun nhiên liệu kéo

dài cho đến khi rãnh xéo của plunger mở lỗ thoát trên thân xilanh.

Hình 3.36 mô tả cấu tạo cặp piston (plunger), xilanh (barrel) của bơm cao áp

kiểu piston rãnh xéo và việc điều chỉnh nhiên liệu. Piston (plunger ) chuyển động

lên được truyền động từ cam qua con đội, chuyển động xuống bằng lò xo. Cửa hút

nằm trên sơ mi xilanh. Piston quay tự do và do thanh răng ăn khớp với vành răng

gắn trên piston dẫn động.

Hình 3.36 Điều chỉnh nhiên liệu bằng rãnh xéo

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 61 Việc điều chỉnh lượng nhiên liệu bằng cung cấp cho chu trình được miêu tả như

trên hình 3.36: vị trí A, piston có vị trí ĐCD cửa hút mở, nhiên liệu đi vào; khi

piston đi lên áp suất trong bơm tăng, nhiên liệu đi ra ngoài; khi piston tiếp tục đi lên

đóng cửa hút và cửa xả, áp suất nhiên liệu sẽ tăng lên bằng với áp suất nâng kim

phun, vòi phun mở, nhiên liệu được phun vào trong buồng đốt; vị trí B mép dưới của

piston mở cửa thoát, nhiên liệu xả về đường hồi của bơm, áp suất phun giảm, vòi

phun đóng lại kết thúc phun nhiên liệu. Mép trên của piston bơm cao áp điều

khiển thời điểm bắt đầu phun, mép dưới điều khiển thời điểm kết thúc phun.

3.5.4 Cơ cấu thay đổi thời điểm phun (V.I.T)

Hình 3.37 Hệ thống VIT động cơ hãng MAN BW

Hình 3.37 là nguyên lý làm việc của cơ cấu điều chỉnh góc phun sớm cùa động

cơ có hành trình dài. Người ta sử dụng thiết bị V.I.T để giảm góc phun sớm ở phụ

tải lớn, do đó giảm được áp suất cháy cực đại trong xilanh, điều này cho phép

nâng cao được mức độ tăng áp cho động cơ.

Hình 3.38 mô tả ảnh hưởng của V.I.T đến áp suất cháy lớn nhất trong xilanh,

của động cơ hãng MANBW

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 62

Hình 3.38 Sự phụ thuộc của áp suất cháy cực đại vào phụ tải của động cơ hãng MANBW

3.5.5 Vòi phun

Cấu tạo vòi phun bao gồm: thân vòi phun, đầu vòi phun và kim phun

.

Hình 3.41 Kết cấu các đầu vòi phun

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 63 Trong những động cơ cỡ lớn, vòi phun thường được làm mát. Hãng MAN

B&W và hãng Wartsila (Sulzer) hiện đang sử dụng loại vòi phun, nhiên liệu có

khả năng tuần hoàn qua vòi phun khi áp suất nhiên liệu thấp hơn 20 Kg/cm2

, và

khi áp suất nhiên liệu bằng áp suất nâng kim phun thì vòi phun mở, nhiên liệu

được phun vào buồng đốt. nguyên lí làm việc của loại vòi phun này (hình 3.42) cho

phép động cơ có thể dùng nhiên liệu nặng khi làm việc với phụ tải nhỏ, ngay cả

khi động cơ dừng cũng như không cần chuyển sang nhiên liệu nhẹ và không cần

hệ thống làm mát vòi phun riêng.

Hình 4.42 Vòi phun hãng MANBW

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 64

Hình 4.43 Vòi phun hãng Wartsila RTA58

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 65 CHƯƠNG 4

ĐỘNG CƠ DIESEL TRUNG VÀ CAO TỐC

4.1 Giới thiệu chung

Động cơ diesel cỡ vừa và nhỏ, trung và cao tốc thường sử dụng dưới tàu thủy

làm các máy phụ, lai máy phát điện hoặc các thiết bị phụ. Động cơ trung và cao

tốc có vòng quay trục khuỷu từ 250 đến 1500 vòng/phút, nếu dùng để lai chân vịt thì

thường phải lắp thêm hộp số. Chúng thường là động cơ bốn kỳ, có tăng áp đơn giản, sử

dụng nhiên liệu nhẹ có chất lượng cao.

Hình 4.1 Động cơ Semt-Pielstick PC2-5B

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 66

Hình 4.2 Động cơ chữ V hãng MANBW Alpha V28/32A

Động cơ trung và cao tốc tàu thủy được chế tạo bởi rất nhiều hãng khác nhau

trên thế giới như : MAN BW, Wartsila , MTU, Deutz, Ailen, Rolls-Royce, Ruston,

GMT, Semt-Pielstick,Yanmar, Daihatsu, Hanshin, Akasaka, Niigata, Caterpillar,

Cummins...

4.2 Các chi tiết tĩnh

Cũng như các động cơ cỡ lớn, thấp tốc, các chi tiết tĩnh chính (hình 4.1 và

4.2) của động cơ trung và cao tốc gồm: bệ máy, khung máy, bệ đỡ chính, khối

xilanh, sơ mi xilanh, nắp xilanh. Tuy nhiên, các phần nói trên trong nhiều trường

hợp lại được chế tạo liền nhau.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 67

Hình 4.3 Kết cấu chung phần tĩnh động cơ trung và cao tốc

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 68 Động cơ diesel cỡ vừa và nhỏ, trung và cao tốc có thể là động cơ hình chữ V

với các chi tiết phần tĩnh mô tả trên hình 4.4.

Hình 4.4 Kết cấu chung phần tĩnh động cơ hình chữ V hãng SemtPielstick : PC2-6V

4.2.1 Bệ máy

Bệ máy là nền móng cho động cơ và còn là cácte chứa dầu nhờn bôi trơn.

Hình 4.5 Kết cấu bệ máy và thân máy động cơ trung, cao tốc

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 69 Bệ máy liên kết chặt thân động cơ với các chi tiết tĩnh và chịu tác dụng các

lực của chi tiết chuyển động. Bệ máy phải có độ bền, độ cứng vững thích

hợp để chiu được lực uốn theo chiều dọc. Bệ máy của động cơ trung và cao tốc

thường được đúc thành một khối.

4.2.2 Ổ đỡ chính trục khuỷu

Ổ đỡ chính dùng để đỡ trục khuỷu, được đặt vào vách ngang của bệ hoặc

thân máy. Kết cấu của ổ đỡ chính trục khuỷu, bao gồm nắp ổ 4 và hai bạc lót hình

trụ.

Hình 4.4 Kết cấu ổ đỡ chính và bạc lót

Nắp ổ đỡ được cố định với ổ đỡ bằng các gu-dông và êcu hoặc kích

chống.hình 4.4 mô tả kết cấu một ổ đỡ chính điển hình. Dầu nhờn bôi trơn thường

được cấp vào bạc lót qua lỗ phía trên của nắp ổ đỡ. Phía trong bạc lót có rãnh dầu

bôi trơn để đảm bảo dầu nhờn phân bố đều xung quanh bạc lót.

Với động cơ diesel cỡ trung, ổ đỡ chính thường đặt trên các vách ngang thuộc

bệ máy như hình 4.5

Hình 4.5 Kết cấu ổ đỡ chính, bệ và khung máy.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 70 Với động cơ cỡ nhỏ, cao tốc, phần cố định của ổ đỡ chính nằm phía trên,

thuộc về thân động cơ trong khi nắp ổ đỡ nằm phía dưới. Những ổ đỡ như thế

gọi là ổ đỡ treo. Hình 4.6 mô tả kết cấu một loại ổ đỡ treo điển hình.

Hình 4.6 Kết cấu khung máy và ổ đỡ treo

Hiện nay, hầu như các động cơ diesel đều sử dụng bạc lót loại mỏng. Kim

loai để chế tạo bạc lót là hợp kim babít có từ ba đến năm lớp (hình 4.7).

Hình 4.7 Bạc lót động cơ Wartsila

4.2.3 Khung máy và khối xilanh

Các động cơ diesel cỡ lớn, các phần tĩnh của động cơ vừa và nhỏ, bao gồm bệ

máy, khung máy và khối xilanh có thể được đúc liền. Hình 4.5 mô tả kết cấu bệ máy

rời liên kết với khung và khối xilanh đúc liền. Bên dưới bệ máy thường treo một

hộp kim loại chứa dầu bôi trơn. Khối xilanh động cơ vừa và nhỏ thường tạo các

khoang tuần hoàn nước làm mát động cơ .

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 71 4.2.4 Sơ mi xilanh

Sơ mi xilanh của động cơ trung và cao tốc thường có hai loại:

- Sơ mi xilanh khô: trong đó, sơ mi xilanh được lắp chặt trong lỗ doa

của khối xilanh. Nước làm mát không tiếp xúc trực tiếp với sơ mi xilanh mà tuần

hoàn trong khối xilanh. Kiểu sơ mi xilanh này thường được áp dụng cho động

cơ cỡ nhỏ.

- Sơ mi xilanh ướt: trong đó, nước làm mát tuần hoàn tiếp xúc trực tiếp

với sơmi xilanh. Các động cơ diesel có đường kính xilanh lớn thường thiết kế theo

kiểu này.

Hình 4.8 Sơ mi xilanh động cơ trung và cao tốc

Sơ mi xilanh thường có chiều dày giảm dần về phía dưới và bên ngoài có các

rãnh đặt gioăng làm kín nước làm mát. Sơ mi xilanh động cơ cỡ nhỏ được bôi trơn

bằng dầu tuần hoàn trong hệ thống bôi trơn, do trục khuỷu khi quay vung toé lên. Sơ

mi xilanh của động cơ có đường kính lớn, hoặc có patanh bàn trượt cũng được bôi

trơn bằng các bơm dầu nhờn kiểu piston cụm, cấp dầu riêng bôi trơn cho sơ mi

xilanh qua các lỗ trên sơ mi xilanh.

4.2.5 Nắp xilanh

Nắp xilanh của động cơ bốn kỳ phức tạp hơn động cơ hai kỳ do các hốc xupáp

nạp và xả cũng như các khoang và lối tuần hoàn của nước làm mát. Do điều kiện

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 72 làm việc phải tiếp xúc trực tiếp với khí cháy có áp suất và nhiệt độ cao, do kết cấu

phức tạp, nắp xilanh rất dễ bị cháy và nứt.

Hình 4.9 Kết cấu nắp xilanh động cơ hãng MAN

Nắp xilanh được làm mát bằng nước, đường nước vào làm mát ở phía ngoài

nắp xilanh, đường nước làm mát ra được lắp ở vị trí cao nhất để tránh tạo thành

các túi hơi trong không gian làm mát. Các túi hơi có thể là nguyên nhân tạo

thành các vùng quá nhiệt và dẫn đến hiện tượng rạn nứt.

4.3 Các chi tiết động

Các chi tiết động chính của động cơ dieseo bao gồm: nhóm piston, thanh

truyền và trục khuỷu (hình 4.10)

Hình 4.10 Kết cấu chung phần động động cơ

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 73

4.3.1 Nhóm piston và xéc măng

1. Piston

Piston động cơ diesel trung và cao tốc có hai loại: piston của động cơ không có

patanh-bàn trượt và piston của động cơ có patanh bàn trượt.

Hình 4.11 Piston động cơ trung tốc hãng MANBW

Tùy thuộc điều kiện làm việc và kích thước, piston có thể được chế tạo thành

hai phần: đỉnh piston và dẫn hướng piston. Đỉnh piston điển hình được chế từ

thép chịu nhiệt như: hợp kim crôm, môlip đen, niken để có thể chịu được ứng

suất kéo, hạn chế được rạn nứt. Để tăng khả năng chịu mài mòn, va đập, rãnh

xecmăng thường được phủ một lớp crôm hoặc được hóa cứng. Đỉnh piston có thể

thường được làm mát bằng hệ thống riêng hoặc được cấp dầu nhờn hệ thống làm

mát. Với động cơ trung tốc, phần dẫn hướng thường được chế tạo bằng gang với các

đai bằng đồng thau để hạn chế mài mòn sơ mi xilanh.

Hình dạng đỉnh piston thường được thiết kế với mục đích tạo xoáy cho

không khí trước khi hòa trộn với nhiên liệu. Đường kính đỉnh piston thường nhỏ

hơn đường kính thân piston với mục đích giãn nở nhiệt. Với động cơ mà áp suất

cháy cao, piston còn có thể được chế tạo với hình oval theo hướng ắc piston.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 74 2. Ắc piston

Đầu nhỏ thanh truyền nối với piston bằng ắc piston để đảm bảo chuyển động

lắc (chuyển động song phẳng) của thanh truyền. Thông thường. ắc piston có

dạng hình trụ và có hai loại: loại cố định với piston và loại có thể xoay tự do với

piston, còn gọi là loại ắc trôi. Động cơ diesel hãng Wartsila còn sử dụng loại ắc hình

cầu tự lựa (hình 4.13).

Hình 4.12 Kết cấu piston động cơ hãng Wartsila W64

3. Xéc măng

Xéc măng có nhiệm vụ:

- Làm kín buồng đốt ngăn không cho rò lọt khí cháy và khí nén.

- Gạt dầu bôi trơn cho sơ mi xilanh.

- Dẫn nhiệt từ piston đến sơ mi xilanh.

Có hai loại xéc măng: xéc măng khí và xéc măng dầu (hình 4.14) tương tự như

động cơ cỡ lớn, thấp tốc.

Hình 4.13 Xéc măng khí và xéc măng dầu đông cơ Wartsila64

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 75 Khi dừng máy, việc kiểm tra đánh giá xéc măng đối với động cơ bốn kỳ rất

khó. Chất lượng xéc măng có thể được đánh giá qua áp suất cuối quá trình nén pc

hoặc áp suất dư trong các te động cơ (khi động cơ đang làm việc).

4.3.2 Thanh truyền.

a. Thanh truyền

Thanh truyền là cơ cấu có chức năng biến chuyển động tịnh tiến của piston

thành chuyển động quay của trục khuỷu. Trong quá trình làm việc, thanh truyền chịu

tác động lực khí cháy từ piston để truyền cho cổ khuỷu. Với động cơ diesel trung

và cao tốc, xilanh xếp thành một hàng thẳng đứng, thanh truyền được mô tả trên

các hình vẽ 4.8 và 4.11.

Hình 4.14 Thanh truyền động cơ W26

Hình 4.15 Kết cấu thanh truyền động cơ chữ V

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 76 Hình 4.15 mô tả thanh truyền động cơ diesel với xilanh bố trí hình chữ V. Cụm

thanh truyền mô tả trên hình 4.15 bao gồm thanh truyền chính 1 và thanh truyền

phụ 2. Hai nửa đầu to thanh truyền chính liên kết với nhau bằng chốt chứ không

dùng bu lông biên.

4.3.3 Trục khuỷu

Trục khuỷu là một trong những chi tiết chịu tải nặng nề và chế tạo khó khăn

nhất trong các chi tiết của động cơ diesel. Trục khuỷu động cơ trung và cao tốc

thường được làm liền bằng thép rèn. Hình 4.16 mô tả kết cấu trục khuỷu động cơ

diesel trung và cao tốc điển hình.

Hình 4.16 Trục khuỷu động cơ Wartsila W64

4.4 Hệ thống trao đổi khí

4.4.1 Cơ cấu truyền động

Trục cam động cơ trung và cao tốc được dẫn động từ trục khuỷu bằng bánh

răng, trục truyền động hoặc xích. Tỷ số truyền của trục khuỷu và trục cam là 1:1 đối

với động cơ hai kỳ và 2:1 đối với động cơ bốn kỳ. Hình 4.18 mô tả cơ cấu dẫn

động trục cam từ trục khuỷu bằng một hệ thống các bánh răng chủ động và

bánh răng bị động. Trục cam một số động cơ cao tốc đặt ngay trên nắp xilanh và

các bánh cam trực tiếp đóng mở các xupáp (hình 4.17)

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 77

Hình 4.17 Trục cam động cơ cao tốc

Từ trục cam, thông qua hệ thống các con đội, cần đẩy và đòn gánh, các

bánh cam thực hiện việc đóng mở các xupáp nạp và xupáp xả đúng thời điểm đã được

thiết kế và điều chỉnh.

Hình 4.18 Cơ cấu truyền động hệ thống trao đổi khí

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 78 4.4.2 Xupáp nạp và xả

Xupáp nạp và xả có thể là xupáp hộp hoặc xupáp liền. Các xupáp liền

(xupáp hút, hình 4.19) dùng cho động cơ cỡ nhỏ, không thuận lợi cho việc tháo lắp,

sửa chữa bảo dưỡng nhưng đế xupáp được làm mát tốt hơn.

Hình 4.19 Kết cấu xupáp hộp (xả) và xupáp liền (nạp)

Các xupáp hộp thường áp dụng cho động cơ cỡ vừa và lớn được mô tả trên hình

4.20.

Hình 4.20 Kết cấu xupáp hộp

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 79

Để duy trì khả năng làm việc, các xupáp nạp và xả của các động cơ đều được

quan tâm làm mát để giảm nhiệt độ trong quá trình công tác. Một số loại động cơ

thiết kế nấm xupáp rỗng để làm mát hoặc đổ natri vào trong.

Các động cơ trung và cao tốc cũng áp dụng rất phổ biến hai phương pháp

quay nấm xupáp trong quá trình công tác: quay nấm bằng cánh dùng cho xupáp

xả (xupáp xả hình 4.19) và quay nấm bằng cơ cấu cơ khí "viên bi - rãnh nghiêng"

(xupáp nạp hình 4.19 và hình 4.21).

Hình 4.21 Cơ cấu quay nấm xupáp kiểu cơ khí

Cơ cấu quay nấm xupáp cơ khí kiểu "viên bi-rãnh nghiêng" hình 4.21, có các

viên bi được duy trì ở một vị trí trên cao so với rãnh nghiêng nhờ lò xo tác

động từ một phía. Khi cơ cấu đòn gánh đẩy xupáp xuống (mở xupáp) sẽ đồng

thời đẩy viên bi trượt sâu cuống rãnh nghiêng và nén lò xo bên trong rãnh

nghiêng. Khi đóng xupáp, các viên bi không bị nén, các lò xo giãn ra, đẩy viên bi

trượt theo rãnh nghiêng có tác động làm xoay nấm xupáp đi một góc nào đó.

4.4.3 Kết hợp xupáp nạp và xupáp xả trên một cơ cấu

Đối với các động cơ diesel bốn kỳ, để tăng cường khả năng trao đổi khí, người

ta luôn có xu hướng muốn tăng kích thước xupáp nạp và xả. Bên cạnh đó, để tăng

tuổi thọ của xupáp, người ta cũng tìm cách để giảm nhiệt độ của xupáp, đặc biệt là

xupáp xả.

Vào những năm 1990, nhà máy chế tạo động cơ MITSUI (Nhật Bản) đã đưa ra

kiểu động cơ diesel bốn kỳ cỡ trung, dùng xupáp ghép hỗn hợp (cả nạp và xả trên

cùng một xupáp). Giải pháp này cho phép tăng kích thước của cả xupáp nạp và xả,

đồng thời giảm được nhiệt độ của nấm đế xupáp trong quá trình công tác.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 80

Hình 4.22 Kết cấu kiểu xupáp ghép

Điểm đặc biệt về kết cấu cho kiểu xupáp ghép , trong đó xupáp chính được điều

khiển bằng thủy lực cho cả đường nạp và đường xả. Bên cạnh xupáp chính, một cơ

cấu phụ được điều khiển để đóng mở đường không khí nạp và đường khí xả cho

phép thực hiện các quá trình nạp, xả.

4.5 Cung cấp nhiên liệu cho động cơ

4.5.1 Những yêu cầu đối với hệ thống nhiên liệu

Động cơ diesel trung và cao tốc cũng đòi hỏi các yêu cầu cung cấp nhiên liệu

giống với động cơ thấp tốc:

- Lượng nhiên liệu phun vào các sơ mi xilanh phải chính xác và bằng nhau.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2007 81 - Góc phun sớm của các xilanh phải bắng nhau, góc phun sớm này do nhà máy chế

tạo động cơ đưa ra.

- Quy luật cung cấp nhiên liệu của các xilanh phải giống nhau.

- Chất lượng phun sương phải đảm bảo. Kích thước các hạt nhiên liệu

càng nhỏ càng tốt.

- Độ dài và kích thướt của chùm tia nhiên liệu phải hợp lí. Điều này cho

phép tạo ra diện tích vùng cháy lớn hơn trong buồng đốt.

- Hệ thống phải làm việc ổn định ở tốc độ quay thấp.

- Hệ thống phải làm việc tin cậy ở tất cả các chế độ tải.

4.5.2 Phân loại quá trình phun:

Thay đổi thời điểm đầu cấp, thời điểm cuối cấp không thay đổi.

Thay đổi thời điểm cuối cấp, thời điểm đầu cấp không thay đổi.

Thay đổi cả thời điểm đầu cấp và cuối cấp.

4.5.3 Bơm cao áp và vòi phun:

Cũng giống như các động cơ cỡ lớn thấp tốc, bơm cao áp gồm hai kiểu chính:

kiểu van và kiểu piston có rãnh xéo. Các động cơ diesel cỡ nhỏ còn phổ biến loại

bơm cao áp cụm và bơm cao áp liền vòi phun.