Sự phát triển của hệ thống nạp khí cho động cơ tàu thủy

Để nhiên liệu diesel được đốt cháy hiệu quả trong động cơ, thì bắt buộc phải đảm bảo đủ lượng khí cung cấp cho các xy lanh ở mỗi chu kỳ. Để đạt được điều này, đã có nhiều giải pháp được đề xuất nhằm cung cấp khí sạch để đốt cháy nhiên liệu, tạo đủ năng lượng từ các xy lanh động cơ.

Trước khi turbo tăng áp xuất hiện, thì người ta lập quy trình tăng áp. Đó là sự sắp xếp các máy móc cơ khí trong động cơ nhằm cung cấp nhiều không khí hơn cho buồng đốt. Trong đề tài này, chúng tôi thảo luận các giải pháp khác nhau và các cách sắp xếp cơ khí nhằm cung cấp khí nạp cho động cơ.

1. Máy móc kết hợp máy bơm khí: Đầu thế kỷ 19, các kỹ sư đã sử dụng kết hợp máy bơm khí. Những máy bơm này có một dây đai nối với trục khuỷu của động cơ nhằm cung cấp khí từ môi trường.

2. Máy bơm khí được trang bị cho mỗi bộ phận: Phương pháp này được ứng dụng khá phổ biến, bằng cách nối đòn bẩy của máy bơm khí với dầm đỉnh của thanh piston động cơ. Sự sắp xếp này khá thông dụng nhằm cung cấp khí sạch cho buồng đốt.

3. Máy thổi khí: Máy thổi khí có hai cam quay nhằm cung cấp khí cho động cơ.

4. Môtơ điện thổi khí: Được sử dụng từ xưa đến nay, để cung cấp khí nạp trong giai đoạn khởi động máy.

5. Lỗ lọc: Các động cơ tàu thủy cũ, lỗ lọc trong ống lót xy lanh thường là rộng nhằm cung cấp không khí cho buồng đốt mỗi khi piston di chuyển xuống.

6. Turbo tăng áp: là loại máy cung cấp không khí cho buồng đốt hiệu quả nhất. Ngày nay, turbo tăng áp được sử dụng trong hầu hết các động cơ tàu thủy (2 thì và 4 thì), là sản phẩm nổi bật trong những năm 1950 và được trang bị thêm hệ thống quạt gió trong động cơ hai thì.

7. Turbo tăng áp hai thì: có hai phương pháp lần lượt là “áp suất cố định” và “áp suất xung”. Hiện tại, hệ thống áp suất cố định được dùng cho tất cả các động cơ hai thì tốc độ chậm.

8. Máy làm mát: Với nhu cầu công suất máy ngày càng cao, nên việc cần thiết đó là kiểm soát nhiệt độ buồng đốt và máy làm mát được lắp đặt giữa turbo tăng áp và xy lanh động cơ.

9. Tua bin biến hình – VGT (variable geometry turbine): Là công nghệ mới, có thể hoạt động ở mức tải thấp và không cần trang bị thêm quạt gió trong động cơ. VGT có các van chuyển động được thay thế bằng các van cố định thông thường, có thể thay đổi góc độ điều khiển luồng khí xả trên cánh quạt tua bin. Điều này giúp cho động cơ kiểm soát cân bằng lượng khí với nhiên liệu.

10. Turbo tăng áp hai cấp hay turbo đôi: Ngày nay, các chủ tàu luôn muốn đảm bảo rằng khí thải ra từ động cơ tàu phải được kiểm soát. Turbo tăng áp hai cấp hay turbo đôi giúp giảm khí thải ô nhiễm NOx đến 80%. Turbo tăng áp hai cấp là việc sử dụng hai turbo tăng áp có kích thước khác nhau tại hai vị trí, giúp cho khả năng tạo khí nén mạnh hơn so với việc sử dụng một turbo tăng áp.

Turbo tăng áp nhỏ được đặt ở bộ phận xả khí; Turbo tăng áp lớn được đặt trong bộ phận nén khí nạp; Hệ thống làm mát được đặt giữa hai bộ phận, nhằm làm giảm nhiệt động cơ và khí thải; Toàn bộ hệ thống trở nên nhỏ gọn.

11. Turbo tăng áp điện lai (hybrid): là loại máy được phát triển bởi bộ phận công nghiệp nặng của công ty Mitsubishi. Loại turbo này khác với các máy thông thường, bởi khả năng thu hồi khí thải và tiết kiệm nhiên liệu. Nguồn năng lượng khí xả được thu hồi trợ lại máy nén khí, cung cấp khí lọc đến động cơ chính cũng như tạo ra dòng điện thông qua máy phát điện (được lắp đặt bên trong turbo tăng áp, được biết như turbo tăng áp điện lai MET).

Ngày nay, máy nạp khí trong các động cơ tàu hiện đại được thực hiện bởi turbo tăng áp nén khí áp suất cố định hoặc turbo tăng áp VGT. Với các hệ thống tinh xảo có tốc độ nhanh, tiết kiện nhiên liệu sẽ là các cổ máy tương lai.