Phân tích cấu tạo, tính năng kỹ thuật họ động cơ Diesel tàu thủy hiệu S70MC-C22, Chương 19 ppt

So với hệ thống quét vòng thì hệ thống quét khí thẳng này hoàn hảo hơn nhiều, ngoài ra ta còn có thể kết hợp với việc tăng áp cho hệ thống khí quét bằng cách sử dụng tuabin khí tăng công

Chương 19:

MỘT SỐ TÍNH NĂNG KỸ THUẬT NỔI BẬT Ở

HỌ ĐỘNG CƠ S70 MC-C

3.2.1 Hệ thống trao đổi khí.

Đây là động cơ 2 kỳ sử dụng hệ thống quét thẳng qua xupáp xả, cửa khí quét đặt xung quanh xilanh theo hướng tiếp tuyến xupáp xả đặt trên nắp xilanh Chính vì có kết cấu như thế nên dòng khí quét chỉ

đi một chiều từ dưới lên, khí quét ít có cơ hội hòa trộn với sản vật cháy, vì vậy khí thải được đẩy ra ngoài tương đối sạch, nhờ đó r nhỏ và pe lớn (pe = 0,55- 0,65 Mpa ) Dùng xupáp thải dễ lựa chọn pha phối khí tốt nhất nhờ đó dễ đạt v lớn Hướng tiếp tuyến của các cửa quét, tạo nên vận động xoáy lốc hướng tiếp tuyến của môi chất mới giúp hình thành hòa khí và chất lượng cháy tốt hơn

So với hệ thống quét vòng thì hệ thống quét khí thẳng này hoàn hảo hơn nhiều, ngoài ra ta còn có thể kết hợp với việc tăng áp cho hệ thống khí quét bằng cách sử dụng tuabin khí tăng công suất động cơ

Tăng áp cho động cơ sử dụng phương án là tăng áp bằng tuabin khí thải So với các phương án tăng áp cho động cơ khác thì phương pháp này có nhiều ưu điểm: do tăng áp tuabin khí được dẫn động nhờ năng lượng khí thải nên không phải tiêu thụ công suất động cơ như tăng áp cơ khí, nên có thể làm tăng tính kinh tế của động cơ, nói chung có thể giảm suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 3-10%, mặt khác

ở thiết bị tăng áp có lắp két làm mát trung gian nhằm làm giảm nhiệt

độ, qua đó nâng cao mật độ không khí đi vào động cơ

Tốc độ động cơ thấp nên cải thiện quá trình nạp khí và quét khí, mặt khác động cơ được trang bị hệ thống tăng áp phụ (môtơ điện-máy nén) nên hạn chế tối đa ảnh hưởng của quét khí khi khai thác ở tốc độ và công suất nhỏ

Một điểm đáng lưu ý ở hệ thống này là tăng áp tuabin khí còn

tạo điều kiện giảm tiếng ồn, giảm thành phần độc hại trong khí xả

Điểm khác biệt rõ ràng nhất của họ động cơ này mà ta có thể thấy

rõ là hệ thống điều khiển đóng và mở xupáp xả

Không như các phương pháp thường dùng là điều khiển việc đóng mở xupáp xả bằng cam hoặc thông qua cơ cấu đũa đẩy và đòn gánh, ở đây thực hiện việc mở xupáp bằng máy nén thủy lực và đóng xupáp bằng áp lực khí

Sở dĩ loại động cơ này không sử dụng phương pháp kiểu thông thường để điều khiển việc đóng mở xupáp là vì đây là họ động cơ có kích thước rất lớn nếu sử dụng cam hoặc đũa đẩy và đòn gánh thì kết cấu của hệ thống rất cồng kềnh và phức tạp, mặt khác trong quá trình làm việc sẽ có những có những va đập và những tiếng ồn lớn trên bề mặt làm việc của các chi tiết làm giảm tuổi thọ động cơ

Trong khi đó với việc điều khiển mở xupáp xả bằng máy nén thủy lực kết hợp với việc giảm chấn cho xupáp bằng lò xo làm cho

hệ thống này hoạt động êm dịu, hệ thống này làm việc với độ tin cậy cao, kết cấu nhỏ gọn, đóng xupáp bằng áp lực khí quét và khí nén giúp ta giảm thiểu số chi tiết của động cơ, giúp kết cấu động cơ gọn nhẹ hơn, giảm thiểu được số chi tiết chế tạo Mặt khác cấu tạo của xupáp có kết cấu cánh khi hoạt động dưới áp lực của khí thải làm xoay xupáp giúp tránh được hiện tượng kẹt xupáp do áp lực của khí nén và do giản nở nhiệt, mặt khác khi xupáp xoay sẽ hạn chế kết cốc

và muội than bám trên bề mặt làm việc của xupáp, tránh được hiện tượng lọt khí làm giảm áp suất cuối kỳ nén của động cơ

3.2.2 Kết cấu buồng cháy.

Họ động cơ này sử dụng buồng cháy thống nhất kết hợp với piston đỉnh lõm và dùng 2 vòi phun đặt ở hai bên đối xứng nhau trên nắp xilanh, vòi phun là vòi phun nhiều lỗ kết hợp với dòng xoáy của khí quét được tạo ra do kết cấu của cửa quét và tăng áp đảm bảo nhiên liệu được phân bố khắp không gian buồng cháy giúp quá trình cháy tốt hơn làm tăng công suất động cơ

Ưu điểm của buồng cháy

thống nhất là

P lớn ( độ tăng áp suất) do đó

hiệu quả

 sinh công cao bên cạnh đó buồng cháy lại nhỏ gọn ít

tổn thất nhiệt

Buồng cháy thống nhất không có dòng xoáy mạnh của không

khí, tỉ số Flm/Vc (Flm – diện tích buồng cháy, Vc- thể tích buồng cháy) rất nhỏ, nên tổn thất nhiệt ít, hiệu suất cao, ứng suất nhiệt của nắp xilanh và đỉnh piston nhỏ, dễ khởi động lạnh, nên hiệu suất động cơ cao, suất tiêu hao nhiên liệu lại thấp

Tuy nhiên buồng cháy thống nhất có yêu cầu cao đối với hệ

thống nhiên liệu

3.2.3 Suất tiêu hao nhiên liệu và mức độ tiêu hao dầu bôi trơn.

Trong thiết kế tàu thủy các biện pháp kỹ thuật mới được đưa

vào nhằm giảm giá thành vận tải mà trong đó yếu tố kinh tế nhiên liệu đóng vai trò quan trọng nên trong một số tàu dùng cho vận tải như tàu chở dầu, tàu hàng cỡ lớn và ngay trong một số tàu hàng bình thường tốc độ tàu được giảm đi rất nhiều và cũng vì vậy số vòng quay động cơ dẫn động trực tiếp chân vịt tàu thủy cũng được giảm

đi rất nhiều Để bù đắp lại một phần công suất mất mát do số vòng quay giảm người ta có xu hướng tăng hành trình piston Động cơ tốc

độ chậm có hành trình lớn (longstroke) ban đầu có tỷ số S/D là 2,4:1 rồi siêu lớn (super-long–stroke) là 2,9:1, sau đó là 3,25:1 và cuối cùng là cực lớn

(ultra-long-stroke) có tỷ số lên

đến 4:1

Với tỷ số S/D 2,2:1 phương pháp quét vòng bắt đầu gặp khó khăn, trong khi đó quét thẳng thì ngược lại, tăng hành trình lại trở nên tốt hơn Quét tốt và buồng cháy gọn hơn khi có hành trình S lớn

sẽ làm giảm tiêu hao nhiên liệu Với kết quả của quá trình quét và buồng cháy gọn còn làm giảm tổn thất ma sát nhờ có áp suất có ích và

số vòng quay giảm, áp suất cháy và áp suất phun cao nên ở động

cơ này hiệu suất của cụm tuabin-máy nén và quá trình cháy được cải thiện rất nhiều hiệu suất có ích đạt lớn hơn

50%

Hình 3.3 Ảnh hưởng của tỷ số S/D đến

ge, lưu lượng khí mk và hệ số dư lượng không khí

(4-tr204)

Động cơ mà ta nghiên cứu thuộc họ S, đặc điểm của họ S là họ động cơ có hành trình piston cực lớn tỉ số S/D # 4,0 ( ta thấy

đường kính piston 700 mm trong khi đó hành trình piston lên đến

2800 mm) Ở họ S này ta thấy có ưu điểm vượt trội hơn so với các họ

khác (ví dụ như họ L và họ K) của ManB&W là giảm tiêu hao nhiên

liệu và tăng hiệu suất có ích, điều này thỏa mãn được yêu cầu về tính kinh tế trong tình hình giá xăng dầu cao như hiện nay

Để thấy rõ hơn ưu điểm của họ S ta phân tích và so sánh suất tiêu hao nhiên liệu, công suất của 3 họ S, L và K Do họ ở đường kính 700 mm chỉ có họ S và họ L nên ta sẽ so sánh 3 họ S, L, K ở đường kính 800 mm với 6 xilanh.

Tiêu hao dầu bôi trơn

Họ

độn

g

cơ

Tốc

độ

Vòng/ph

út

Công suất k

W

Suất tiêu hao nhiên liệu g/kW

h

Của hệ thống Kg/xilanh.2

Của xilanh g/kWh g/HP

7

0,8 – 1,2

1

0,65- 1

4

4

6 -9

0,8 – 1,2 0,6 – 0,9

Ta thấy rằng ở cùng đường kính piston là 800 mm, nhưng khi

ta tăng hành trình S lên thì công suất động cơ tăng lên, đồng thời suất tiêu hao nhiên liệu trên mỗi kW lại giảm xuống điều này có ý rất lớn

vì công suất của động cơ là rất lớn nếu ta làm thử phép tính công suất của động cơ với thời gian sử dụng thì ta thấy rõ hiệu quả kinh tế mà

họ S mang lại.

Để có thể thấy rõ hơn ảnh hưởng của tỉ số S/D ta có thể so sánh thêm các động cơ của các hãng khác Dưới đây là bảng thông số kỹ thuật các họ động cơ RTA 62U-B, RTA 68T-B, RTA 72U-B của hãng Wartsila

Họ động cơ RTA

62U-B RTA 68T-B RTA 72V-B S70 MC- C Đường kính xilanh D

(mm) Hành trình S 215620 272680 250720 280700

Công suất xilanh

Ne/xilanh

Suất tiêu hao nhiên

liệu ge

hệ thống

7

kg/xilanh

9

kg/xilanh

Suất tiêu

thụ dầu

bôi trơn Của

xilan h

0,9-1,3 g/kW

1,1-1,6 g/kW

0,9-1,3 g/kW

1,1-1,6 g/kW

Trang 80

-Ta thấy rằng khi giảm tỉ số S/D thì công suất động cơ giảm và suất tiêu hao nhiên liệu lại tăng lên

Cụ thể là ở họ động cơ RTA 62U-B đường kính xilanh D là 620

mm, hành trình S là 2150, tỉ số S/D là 3,467, công suất trên mỗi xilanh là 2285 kW, nhưng suất tiêu hao nhiên liệu trên mỗi kW lại lên đến 173 g/kW Trường hợp thứ hai là ở họ động cơ RTA

72U-B ta thấy đường kính xilanh lên đến 720 mm, nhưng hành trình

S chỉ có 2500 mm, tỉ số S/D là 3,472 và do đó công suất trên mỗi xilanh chỉ có 3080 kW và suất tiêu hao nhiên liệu là 171 kW Trong khi đó họ động cơ RTA 68T-B có đường kính xilanh là 680 mm, hành trình piston lên đến 2720, tỉ số S/D là 4, công suất trên mỗi xilanh lúc này lên đến 3130 kW nhưng suất tiêu hao nhiên liệu chỉ có

169 g/kW

Nhưng bên cạnh đó họ S cũng có mặt hạn chế là khi ta tăng hành

trình S thì tốc độ động cơ giảm xuống, đồng thời tiêu hao dầu bôi trơn cũng nhiều hơn Điều này là tất nhiên vì khi tăng hành trình S thì thời gian và quãng đường để piston dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD nhiều hơn, ma sát nhiều hơn và do đó mà tiêu hao dầu bôi trơn cũng sẽ nhiều hơn, nhưng tiêu hao dầu bôi trơn tăng hơn không đáng kể, ở mức chấp nhận được Mặt khác việc tăng hành trình S cũng làm kích thước và khối lượng của động cơ tăng đáng kể (suất khối lượng tăng) dẫn đến giá thành của động cơ cũng cao hơn nhiều

so với các họ L và K Nhưng vì đây là động cơ tàu thủy nên việc

tăng kích thước và khối lượng của động cơ không yêu cầu và đòi hỏi khắt khe như động cơ lắp trên ôtô Còn về giá thành động cơ thì nếu động cơ hoạt động trong thời gian dài thì giảm tiêu hao nhiên liệu có thể bù đắp cho việc tăng giá đầu tư

Ta sẽ so sánh thêm với động cơ của các hãng khác

Bảng so sánh các thông số các họ động cơ của ManB&W và

Trang 81

-Wartsila:

Độn

g

cơ

Số

xilan

N

Gđ

gđ=Neq

đ

Ne LB

RT

A

RT-flex

68 RT 85 2504015400 5948 11,88, 5,9 12,746 12,4 23,731,5 28,223,8

Trang 82

72V-B

5 12420 494,7 9, 8,6 12,8 31,9 14,84

7 18630 623,6 11,3 8,6 12,8 28,7 17,89

S7

0

Nhìn vào bảng so sánh ta thấy họ động cơ của hãng ManB&W nếu cùng đường kính xilanh và hành trình piston thì công suất trên mỗi xilanh nhỏ hơn đồng thời suất khối lượng lại lớn hơn công suất của họ động cơ hãng Wartsila

Cụ thể là họ động cơ RTA68T-B của hãng Wartsila có đường kính chỉ có 680 mm, hành trình S là 2720 mm, tỉ số S/D

là 4 Nhưng công suất của động cơ này là 3130 kW/xilanh tại số vòng quay là 95 vòng/phút, đồng thời suất khối lượng gđ chỉ

có 24,6 kg/kW Trong khi đó họ động cơ S70 MC-C có đường kính lên đến 700mm, hành trình S là 2800mm tỉ số S/D cũng là

4 nhưng công suất chỉ đạt được 3105 kW/xilanh tại số vòng quay 91 vòng/phút, và suất khối lượng lại lên đến 29,9 kg/kW

Nguyên nhân của sự chênh lệch về công suất là do công suất của động cơ phụ thuộc vào số vòng quay của động cơ Do

đó tuy công suất của động cơ nhỏ hơn nhưng bù lại tuổi thọ của

họ động cơ S70 MC-C sẽ cao hơn và do tốc độ thấp hơn nên quá trình quét khí sẽ được thực hiện triệt để hơn và hiệu suất của động cơ sẽ cao hơn

Tóm lại tùy vào mục đích sử dụng người ta có thể lựa chọn loại động cơ nào thích hợp nhất để trang bị cho tàu sao cho tính kinh tế đem lại nhiều nhất và hiệu quả làm việc mà động cơ

Trang 83

-mang lại cao nhất