Động cơ trên tàu hàng lớn thường là động cơ diesel hai kỳ tốc độ thấp, quay khoảng 60–130 rpm và được bắt bu lông trực tiếp với trục chân vịt, trong khi phà, tàu du lịch, tàu kéo và tàu dịch vụ ngoài khơi chủ yếu dùng động cơ diesel bốn kỳ tốc độ trung bình hoặc cao, truyền động qua hộp số hoặc dẫn động máy phát điện. Động cơ hai kỳ có ưu thế về hiệu suất nhiên liệu và tính đơn giản ở công suất rất lớn; động cơ bốn kỳ có ưu thế về kích thước nhỏ gọn, mật độ công suất và tính linh hoạt.
Những điểm chính
- Động cơ diesel hàng hải được phân nhóm theo tốc độ: tốc độ thấp (thường dưới khoảng 300 rpm, gần như luôn là hai kỳ), tốc độ trung bình (khoảng 300–1000 rpm) và tốc độ cao (trên khoảng 1000 rpm), trong đó hai nhóm sau thường là bốn kỳ.
- Động cơ diesel hai kỳ sinh công mỗi vòng quay; động cơ bốn kỳ sinh công sau mỗi hai vòng quay.
- Động cơ tàu thủy hai kỳ cỡ lớn có kết cấu con trượt với quét khí thẳng và có thể đạt suất tiêu hao nhiên liệu có ích khoảng 170 g/kWh, tương đương hiệu suất nhiệt gần 50 phần trăm.
- Động cơ hai kỳ RTA96-C 14 xi lanh thường được nhắc đến là động cơ piston lớn nhất, có công suất định mức khoảng 80000 kW và trọng lượng hơn 2300 tấn.
- Tàu du lịch thường dùng hệ thống đẩy diesel-điện: nhiều động cơ tốc độ trung bình dẫn động các máy phát điện cấp nguồn cho mô tơ đẩy điện hoặc cụm đẩy dạng pod.
- Từ năm 2020, quy định IMO theo Phụ lục VI MARPOL giới hạn hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu ở mức 0.50 phần trăm trên toàn cầu và 0.10 phần trăm trong các khu vực kiểm soát phát thải, thúc đẩy tàu chuyển sang nhiên liệu ít lưu huỳnh, hệ thống làm sạch khí thải hoặc LNG.
Hầu hết tàu sử dụng loại động cơ nào?
Hầu hết tàu thương mại sử dụng động cơ diesel nhờ hiệu suất nhiệt, tính linh hoạt về nhiên liệu và độ tin cậy. Kích thước và tốc độ động cơ phụ thuộc vào loại tàu và cách truyền công suất.
| Nhóm động cơ | Tốc độ thông thường | Chu trình | Dải công suất thông thường | Ứng dụng |
|---|---|---|---|---|
| Thấp tốc | ~60–130 rpm (động cơ cỡ lớn) | Hai kỳ, kiểu con trượt | Vài MW đến khoảng 80 MW | Tàu container, tàu chở hàng rời, tàu chở hàng lỏng |
| Trung tốc | ~300–1000 rpm | Bốn kỳ, piston thân dài | ~0.5–20 MW mỗi động cơ | Phà, tàu du lịch, tàu dịch vụ ngoài khơi, tàu kéo lớn, tổ máy phát điện tàu thủy |
| Cao tốc | Trên ~1000 rpm | Bốn kỳ | Đến vài MW | Tàu công tác, tàu tuần tra, phà cao tốc, tàu kéo nhỏ, tổ máy phát điện phụ |
Định nghĩa các dải tốc độ khác nhau giữa các nguồn và nhà sản xuất động cơ, vì vậy hãy xem các ranh giới là gần đúng. Mọi tàu lớn cũng có động cơ phụ, thường là tổ máy phát điện bốn kỳ tốc độ trung bình hoặc cao, để cung cấp điện khi đi biển và ở cảng.
Động cơ diesel hai kỳ hoạt động như thế nào?
Động cơ diesel hai kỳ hoàn thành quá trình nạp, nén, sinh công và xả trong một vòng quay trục khuỷu, nên mỗi xi lanh cháy mỗi khi piston lên đến điểm trên cùng. Các phiên bản hàng hải cỡ lớn dùng hệ thống khí quét được cấp khí bởi bộ tăng áp thay cho các hành trình nạp và xả riêng biệt.
- Hành trình sinh công — nhiên liệu được phun gần điểm chết trên vào không khí đã được nén đến nhiệt độ cao, tự cháy và đẩy piston xuống.
- Xả — gần cuối hành trình đi xuống, xupáp xả điều khiển bằng thủy lực trên nắp xi lanh mở ra và áp suất giảm.
- Quét khí — piston mở các cửa trên sơ mi xi lanh, không khí có áp suất từ bộ tăng áp và bầu góp khí quét đi lên qua xi lanh, đẩy khí thải ra ngoài qua xupáp. Dòng khí một chiều này được gọi là quét khí thẳng.
- Nén — các cửa đóng lại, xupáp xả đóng và piston đi lên nén không khí sạch cho chu trình tiếp theo.
Vì sinh công trong mỗi vòng quay và chạy ở tốc độ thấp, động cơ 2 kỳ tốc độ thấp có thể nối trực tiếp với chân vịt bước cố định cỡ lớn mà không cần hộp số. Phần lớn có thể đảo chiều trực tiếp: để chạy lùi, động cơ được dừng rồi khởi động lại theo chiều ngược lại.
Vì sao động cơ tàu lớn sử dụng thiết kế con trượt?
Trong động cơ con trượt, cần piston nối với con trượt chuyển động trong các thanh dẫn hướng, còn thanh truyền nối con trượt với trục khuỷu. Cấu tạo này ngăn tải ngang tác dụng lên sơ mi xi lanh và tách các xi lanh khỏi hộp trục khuỷu, nhờ đó có thể tối ưu riêng dầu bôi trơn xi lanh và dầu hệ thống. Đổi lại là chiều cao: động cơ con trượt cao hơn nhiều so với động cơ piston thân dài có công suất tương đương.
Động cơ diesel hàng hải 4 kỳ khác biệt như thế nào?
Động cơ diesel 4 kỳ có các hành trình nạp, nén, sinh công và xả riêng biệt, nên mỗi xi lanh sinh công sau mỗi 2 vòng quay. Các xupáp trên nắp xi lanh điều khiển quá trình trao đổi khí, và piston nối trực tiếp với thanh truyền (thiết kế piston thân dài).
Động cơ tàu 4 kỳ chạy nhanh hơn, nên tạo ra công suất lớn hơn so với kích thước và trọng lượng của chúng. Vì vậy, chúng là lựa chọn phù hợp khi chiều cao và chiều dài buồng máy bị giới hạn, chẳng hạn trên phà, tàu cung ứng ngoài khơi và tàu kéo. Do tốc độ cao hơn, chúng thường dẫn động chân vịt qua hộp số giảm tốc, thường kết hợp với chân vịt biến bước, hoặc dẫn động máy phát điện trong hệ thống diesel-điện.
| Đặc điểm | 2 kỳ tốc độ thấp | 4 kỳ tốc độ trung bình/cao |
|---|---|---|
| Tần suất sinh công | Mỗi vòng quay | Mỗi 2 vòng quay |
| Kết nối với chân vịt | Truyền động trực tiếp, không có hộp số | Hộp số giảm tốc hoặc diesel-điện |
| Kích thước trên mỗi kW | Lớn và nặng | Nhỏ gọn |
| Hiệu quả sử dụng nhiên liệu | Cao nhất trong các loại động cơ hàng hải | Cao, thấp hơn đôi chút ở cùng công suất |
| Trao đổi khí | Các cửa trên sơ mi xi lanh cùng xupáp xả | Xupáp nạp và xả |
| Khả năng dự phòng | Thường chỉ có 1 máy chính | Thường sử dụng nhiều động cơ |
| Loại tàu điển hình | Tàu hàng viễn dương | Phà, tàu du lịch, tàu kéo, tàu hoạt động ngoài khơi |
Tàu hàng, tàu container và tàu du lịch sử dụng động cơ nào?
Tàu hàng và tàu container gần như luôn sử dụng 1 động cơ 2 kỳ tốc độ thấp vì các tàu này chạy ở tốc độ ổn định trong nhiều tuần và nhiên liệu là khoản chi phí vận hành lớn nhất. Tàu du lịch thường sử dụng nhiều động cơ 4 kỳ tốc độ trung bình trong hệ thống diesel-điện.
- Động cơ tàu container — 1 động cơ 2 kỳ cỡ lớn, thường có 8–12 xi lanh trên các tàu lớn nhất, dẫn động 1 chân vịt bước cố định cỡ lớn. Các tàu container lớn nhất từng sử dụng động cơ thuộc dòng RTA96-C, với phiên bản 14 xi lanh có đường kính xi lanh 960 mm, hành trình piston 2500 mm và công suất định mức khoảng 80000 kW.
- Tàu hàng rời và tàu chở dầu — sử dụng động cơ 2 kỳ tốc độ thấp tương tự, thường có đường kính xi lanh nhỏ hơn và số xi lanh ít hơn.
- Động cơ tàu du lịch — thường gồm 4 đến 6 động cơ tốc độ trung bình cấp điện vào một mạng điện chung. Động cơ điện dẫn động hệ trục hoặc cụm chân vịt điện xoay phương vị, và số động cơ hoạt động được điều chỉnh theo tải để đạt hiệu suất cao, trong khi điện phục vụ sinh hoạt trên tàu cũng được cấp từ cùng hệ thống.
- Phà và tàu hoạt động ngoài khơi — sử dụng động cơ 4 kỳ tốc độ trung bình hoặc cao truyền động qua hộp số, đôi khi theo cấu hình diesel-điện hoặc hybrid.
Phà nhỏ và tàu ven biển sử dụng động cơ tốc độ cao có công suất từ hàng trăm đến vài nghìn kW. Ví dụ, SC33W1000CA2 được cung cấp kèm hộp số tích hợp trong dải 680–1100 hp, là loại động cơ được sử dụng trong dự án hệ động lực phà chở khách.
Động cơ tàu sử dụng những loại nhiên liệu nào, và LNG thì sao?
Động cơ 2 kỳ cỡ lớn được thiết kế để đốt dầu nhiên liệu nặng, và nhiều động cơ vẫn sử dụng loại nhiên liệu này cùng hệ thống rửa khí thải, trong khi các động cơ khác sử dụng dầu nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh rất thấp hoặc dầu diesel hàng hải để đáp ứng giới hạn lưu huỳnh theo MARPOL Phụ lục VI. Tàu chạy bằng LNG sử dụng động cơ nhiên liệu kép có thể chuyển đổi giữa nhiên liệu khí và nhiên liệu lỏng.
Động cơ 2 kỳ nhiên liệu kép có 2 nguyên lý chính: phun khí áp suất cao, đốt khí theo chu trình diesel, và nạp khí áp suất thấp, đốt hỗn hợp hòa trộn trước theo chu trình Otto với một lượng nhỏ nhiên liệu lỏng phun mồi. LNG gần như loại bỏ hoàn toàn oxit lưu huỳnh và bụi hạt, đồng thời giảm CO2, mặc dù cần kiểm soát lượng methane chưa cháy thoát ra. Các nhà sản xuất động cơ cũng cung cấp động cơ có khả năng sử dụng methanol và đang phát triển thiết kế chạy bằng amoniac khi ngành vận tải biển hướng tới các mục tiêu khí nhà kính của IMO.
Phát thải oxit nitơ được quản lý theo các giới hạn Tier của IMO. Tier III, áp dụng trong các khu vực kiểm soát phát thải NOx được chỉ định đối với tàu đóng sau các mốc thời gian tương ứng, thường yêu cầu hệ thống khử xúc tác chọn lọc hoặc tuần hoàn khí thải khi vận hành bằng diesel.
Điều này có ý nghĩa gì với người mua động cơ đẩy tàu cỡ nhỏ hơn?
Đối với phần lớn tàu có kích thước nhỏ hơn tàu hàng viễn dương, lựa chọn thực tế nằm giữa động cơ 4 kỳ tốc độ trung bình và tốc độ cao, kết hợp với hộp số hàng hải phù hợp. Động cơ lớn hơn, chạy chậm hơn thường có tuổi thọ dài hơn khi chịu tải liên tục; động cơ chạy nhanh hơn giúp giảm trọng lượng và tiết kiệm không gian.
- Tàu kéo, tàu nạo vét và tàu công tác hạng nặng thường kết hợp động cơ thuộc nhóm 1000 kW, như máy chính CW6250ZLC-1N hoặc V12 12M33C1000-15, với hộp số hạng nặng.
- Tàu cá và tàu công tác ven biển thường sử dụng động cơ tốc độ cao 100–400 kW, như trình bày trong hướng dẫn mua động cơ diesel hàng hải của chúng tôi.
- Tổ máy phát điện phụ trên mọi loại tàu tuân theo các mức công suất định mức ISO 8528, trong khi công suất định mức của động cơ đẩy tàu thường dựa trên điều kiện tham chiếu ISO 3046 cùng các định nghĩa chế độ làm việc của nhà sản xuất.
MARS cung cấp động cơ đẩy tàu và hộp số thuộc các nhóm này, đồng thời có thể thử nghiệm động cơ trước khi xuất hàng kèm báo cáo bằng văn bản và video. Để so sánh các phương án cho tàu, hãy gửi thông tin về tàu và chế độ làm việc.
Câu hỏi thường gặp
Động cơ tàu lớn nhất thế giới là gì?
Động cơ diesel 2 kỳ RTA96-C 14 xi lanh được nhắc đến rộng rãi là động cơ piston lớn nhất, có công suất định mức khoảng 80000 kW (khoảng 107000 hp) và nặng hơn 2300 tấn. Các thế hệ động cơ mới hơn từ những hãng cấp phép thiết kế lớn có công suất định mức tương đương.
Vì sao tàu sử dụng động cơ 2 kỳ?
Động cơ 2 kỳ tốc độ thấp là loại động cơ tiết kiệm nhiên liệu nhất hiện có ở mức công suất rất cao, và quay đủ chậm để dẫn động trực tiếp chân vịt lớn mà không cần hộp số. Đối với tàu chạy ở tốc độ ổn định trong những chuyến đi dài, điều này giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm độ phức tạp.
Động cơ tàu quay nhanh đến mức nào?
Động cơ tàu 2 kỳ cỡ lớn thường chạy ở khoảng 60–130 rpm tại công suất định mức. Động cơ 4 kỳ tốc độ trung bình chạy ở khoảng 300–1000 rpm, còn động cơ tốc độ cao chạy trên khoảng 1000 rpm.
Tàu du lịch sử dụng động cơ nào?
Phần lớn tàu du lịch hiện đại sử dụng hệ thống diesel-điện với nhiều động cơ 4 kỳ tốc độ trung bình dẫn động máy phát điện, còn động cơ điện hoặc cụm chân vịt điện dẫn động chân vịt. Một số tàu du lịch mới hơn chạy bằng LNG với động cơ nhiên liệu kép.
Động cơ tàu có phải là động cơ diesel không?
Phần lớn là vậy. Động cơ diesel và động cơ nhiên liệu kép cung cấp động lực cho đại đa số đội tàu thương mại trên thế giới, còn tuabin khí, tuabin hơi và hệ thống điện dùng pin chỉ được sử dụng trong một số ứng dụng chuyên biệt.
