Nghiên cứu giải pháp thay thế hệ thống dầu bôi trơn sơ mi xi lanh cơ khí bằng hệ thống bôi trơn điện tử cho động cơ diesel tàu thủy

CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2015 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 41 – 01/2015 5 
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP THAY THẾ HỆ THỐNG DẦU BÔI TRƠN SƠ MI 
XI LANH CƠ KHÍ BẰNG HỆ THỐNG BÔI TRƠN ĐIỆN TỬ CHO 
ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY 
STUDY SOLUTION TO REPLACE THE MECHANICAL CYLINDER OIL 
LUBRICATING SYSTEM BY ELECTRO CONTROL SYSTEM FOR MARINE 
DIESEL ENGINE 
TS. TRẦN HỒNG HÀ 
Viện Nghiên cứu phát triển, Trường ĐHHH Việt Nam 
ThS. VŨ ĐÌNH HIỂN 
Phó tổng giám đốc, Công ty VIPCO 
Tóm tắt 
Bài báo giới thiệu giải pháp thay thế hệ thống bôi trơn sơ mi xi lanh cơ khí cho động cơ 
diesel trong đội tàu của công ty VIPCO bằng hệ thống bôi trơn điên tử. Kết quả thử 
nghiệm cho hiệu quả bôi trơn tăng lên, lượng tiêu thụ dầu nhờn giảm xuống góp phần 
nâng cao hiệu quả khai thác động cơ diesel và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. 
Abstract 
This paper introduces an effective solution to replace mechanical cylinder oil lubricating 
oil system by electro control system for VIPCO fleets. The experimental results showed 
that the effection of the lubrication increased, LO consumption was reduced that 
increaseed effective operation of the diesel engine and reduced emission from diesel 
engine into the environment. 
Key words: Cylinder oil system, Diesel engine. 
1. Đặt vấn đề 
Hệ thống bôi trơn động cơ diesel thiết kế để thực hiện các mục đích: Bôi trơn, biến ma sát 
khô thành ma sát ướt; điền đầy các khe hở để tăng cường làm kín; rửa sạch bề mặt và làm mát; 
trung hòa axít và bao phủ kín để bảo vệ bề mặt. Đối với hệ thống bôi trơn xi lanh, các yêu cầu đặc 
biệt quan trọng bao gồm: Bôi trơn giảm ma sát; điền đầy các khe hở để tăng cường làm kín; trung 
hòa a xít và rửa sạch bề mặt làm việc. Cùng với việc cường tải động cơ diesel, hệ thống bôi trơn xi 
lanh càng trở nên đặc biệt quan trọng, quyết định tuổi thọ, tính an toàn, tin cậy của động cơ. 
VIPCO là công ty với một đội tàu trang bị thế hệ động cơ diesel chế tạo đầu những năm 
2000 với nhiều thiết bị lạc hậu trong đó có hệ thống bôi trơn xi lanh. Một số vấn đề nảy sinh trong 
thực tế khai thác tàu bao gồm tiêu thụ dầu nhờn quá lớn, tuổi thọ của xéc măng và xi lanh giảm, 
muội bẩn buồng đốt và khoang gió quét nhiều,Trên cơ sở hạch toán chi phí khai thác, đánh giá 
tình trạng kỹ thuật định kỳ và phân tích các thông tin công nghệ, VIPCO đã triển khai dự án về tăng 
cường tính tin cậy và hiệu quả trong khai thác tàu bằng việc thay thế hệ thống bôi trơn sơ my xi 
lanh hiện có bằng hệ thống bôi trơn điện tử. 
2. Hệ thống bôi trơn xi lanh 
Máy chính tàu Petrolimex 16 sử dụng hệ thống bôi trơn sơ mi xi lanh độc lập do hãng Atlas 
(Shin Heung Precision Co., ltd) sản xuất. Trong hệ thống bôi trơn xi lanh, dầu xi lanh từ két chứa 
được cấp đến két đo để kiểm soát lượng dầu tiêu thụ. Dầu từ két đo qua cụm bơm đến trực tiếp 
vòi phun và phun vào xi lanh động cơ. Cụm bơm cấp gồm nhiều phân bơm mô tả trên hình 1. 
Trong phân bơm, trục cam 7 quay do máy chính lai (đồng bộ với tốc độ quay của máy chính). Khi 
trục cam quay, cơ cấu cam sẽ đẩy cần 6 và thông qua đó sẽ đẩy plunger 3 dịch chuyển tịnh tiến 
trong xi lanh 4. Các van bi một chiều đảm bảo việc cấp dầu qua ống thủy tinh 1. Viên bi 2 chuyển 
động chỉ báo dòng dầu cấp vào bôi trơn xi lanh. Kết cấu phân bơm cho phép điều chỉnh lượng dầu 
trong một lần bơm (lưu lượng bơm) cho từng phân bơm. Lưu lượng của phân bơm được điều 
chỉnh bằng cách thay đổi hành trình của cần 6 bằng vít chỉnh 9. Thực hiện điều chỉnh tĩnh cho từng 
phân bơm (lubricator) bằng cách nới lỏng ê cu hãm 8, vặn vít 9 theo chiều kim đồng hồ để giảm 
hành trình (giảm lưu lượng) hoặc ngược chiều kim đồng hồ để tăng hành trình (tăng lưu lượng). 
Trong khi động cơ đang hoạt động, có thể theo dõi mức độ nhảy của viên bi 2 (hình 1) để ước 
đoán lưu lượng của từng phân bơm. 
CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2015 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 41 – 01/2015 6 
Hình 1. Kết cấu phân bơm cấp (lubricator) 
1. Ống thủy tinh, 2. Viên bi; 3. Piston; 4 Xi lanh; 5 Ốc hãm. 6. Cần đẩy; 7. Trục cam; 
8. Ê cu hãm; 9. Vít chỉnh; 10. Piston 
Về thời điểm phun, trong hướng dẫn sử dụng của hãng Atlas quy định: ‘quá trình cấp dầu 
hoàn thành ngay trước khi xéc măng đi qua miệng phun dầu trên xi lanh động cơ’. Trong thực tế 
việc kiểm tra thực hiện trên dấu chuẩn ‘A’ của Maker. Đối với cụm bơm Atlas, thời điểm kiểm tra 
(hình 2) chính là điểm cuối hành trình của plunger (pumping end). 
Hình 2. Kiểm tra thời điểm bôi trơn 
Như vậy, do tính đồng bộ với tốc độ quay của động cơ, lượng dầu tiêu thụ tự động thay đổi 
phù hợp với sự thay đổi tốc độ quay của động cơ. 
Hệ thống bôi trơn xi lanh Atlas còn trang bị cơ cấu điều chỉnh lượng dầu xi lanh khi phụ tải 
thay đổi (Load Change Dependent lubrication - LCD). Cơ cấu tự động điều chỉnh lượng dầu xi lanh 
khi phụ tải thay đổi cho phép tăng lượng dầu xi lanh khi khởi động động cơ cũng như khi thay đổi 
phụ tải giúp giảm ma sát cũng giảm sự mài mòi của nhóm xéc măng - sơ mi xi lanh. 
Mặc dù hệ thống Atlas phục vụ máy chính tàu Petrolimex 16 là hệ thống bôi trơn dùng vòi 
phun dầu đa điểm nhưng thực tế khai thác đã bộc lộ nhiều vấn đề không phù hợp, ảnh hưởng lớn 
đến khai thác máy chính và con tàu. 
3. Một số điểm hạn chế trong khai thác hệ thống bôi trơn cơ khí 
Các báo cáo không phù hợp trong khai thác máy chính tàu Petrolimex 16 được thống kê 
bao gồm: 
- Tiêu thụ dầu bôi trơn xi lanh rất lớn; 
- Không gian buồng đốt nhiều muội, cửa gió quét, khoang gió nạp bẩn; 
- Mức độ mài mòn xi lanh và xéc măng lớn hơn định mức; 
- Khói đen khi khai thác chế độ tải nhỏ hoặc không ổn định; 
- Lượng dầu thừa xả từ khoang gió quét xuống Scavenging drain tank cao. 
VIPCO đã nghiên cứu và tham vấn Maker để thực hiện một số giải pháp kỹ thuật nhưng 
không thành công. Trong quá trình kiểm tra, đo đạc, tìm hiểu, một số hệ thống bôi trơn sơ mi xi 
lanh mà chúng tôi đã thu thập được bao gồm: 
CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2015 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 41 – 01/2015 7 
a. Thời điểm bôi trơn 
Đo kiểm tra thời điểm phun các lỗ phun dầu của từng xi lanh xác nhận số liệu không đều 
nhau và không đúng như thiết kế (hình 1). 
Bảng 1. Pumping end (ogqtk) after BDC 
Cylinder No 1 2 3 4 5 6 Maker 
Pumping end (sau BDC) 112 112 111.5 111.5 111 111 108.5 
Nguyên nhân của tình trạng này có thể do các bơm dầu, mài mòn cơ cấu cam, sai lệch 
truyền động, Theo các báo cáo kỹ thuật của một số hãng chế tạo động cơ, sai số trong nhiều 
trường hợp có thể đạt đến 10o (gqtk). 
b. Tổ chức quá trình bôi trơn không tốt 
Rút piston kiểm tra xác nhận xéc măng các vùng khô, ướt không đều. Rãnh xéc măng, 
buồng đốt nhiều muội, khoang gió nạp nhiều cặn bẩn. 
Thực hiện khảo sát hệ thống bôi trơn dầu sơ mi xi lanh máy chính tàu Petrolimex 16 đã xác 
nhận một số đặc điểm sau đây: 
- Sơ mi xi lanh dùng rãnh ngắn sử dụng vòi phun (Injector) phù hợp với hệ thống bôi trơn áp 
suất cao; 
- Hệ thống bôi trơn xi lanh kiểu cổ điển dùng hệ thống cấp dầu bôi trơn xi lanh điều khiển cơ 
khí cổ điển, áp suất phun thấp chỉ làm việc phù hợp với sơ mi kiểu rãnh dầu lượn sóng (hình 3). 
Từ hai điểm trên nhận thấy hệ thống bôi trơn không phù hợp với kết cấu của sơ mi xi lanh, 
vòi phun vì dầu bôi trơn khó trải đều toàn chu vi mặt gương khi áp suất phun thấp và không ổn 
định. Đây chính là điểm yếu nhất của hệ thống bôi trơn xi lanh hiện tại của tàu 
Hình 3. Rãnh phân phối dầu (a) và rãnh phun dầu (b) 
c. Mức độ mài mòn nhóm xéc măng - xi lanh lớn 
Chúng tôi đã thực hiện rút piston, kiểm tra đo đạc số liệu, tính toán tốc độ mài mòn của sơ 
mi xi lanh. Số liệu ghi nhận được đối với các xi lanh hoạt động sau khoảng từ 3.150 đến 4.500 giờ 
như bảng sau đây. 
Bảng 2. Tốc độ mài mòn sơ mi xi lanh (mm/1.000 h) 
Cylinder No 1 2 3 4 5 6 Maker 
Pumping end (a BDC) 0.11 0.15 0.12 0.11 0.13 0.12 0.10 
Nguyên nhân của tình trạng này có thể do chất lượng tạo màng dầu bôi trơn không đều. 
d. Lượng tiêu thụ dầu xi lanh cao 
Để khắc phục việc không phù hợp giữa kết cấu sơ mi xi lanh và hệ thống bôi trơn, lượng 
dầu bôi trơn xi lanh tàu Petrolimex 16 buộc phải điều chỉnh rất cao thậm chí vượt cả mức cao nhất 
theo khuyến cáo của maker. Tuy nhiên, do không có rãnh lượn sóng, lượng dầu cũng không được 
phân bố đều trên chu vi mặt gương mà chủ yếu bị bắn lên buồng đốt hoặc xuống khoang gió quét. 
CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2015 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 41 – 01/2015 8 
VIPCO đã tham vấn hãng sản xuất, thực hiện thử nghiệm điều chỉnh giảm kết hợp với việc 
kiểm tra tình trạng nhóm piston - xéc măng - xi lanh trong phạm vi dưới 8 giờ hoạt động. Tuy 
nhiên, tất cả những biểu hiện đều cho thấy buộc phải duy trì suất tiêu hao dầu nhờn ở mức trung 
bình 1,9 g/kW/h cao hơn rất nhiều so với khuyến cáo của Maker (từ 1,4 g/kW/h đến 1,6 g/kW/h). 
Với việc phải duy trì lượng tiêu thụ dầu xi lanh cao như nêu trên dẫn tới chi phí khai thác 
cao, tác động xấu tới môi trường, kém tính cạnh tranh trên thị trường đặc biệt trong bối cảnh khó 
khăn của thị trường vận tải biển cũng như xu thế khai thác tàu theo hướng thân thiện với môi 
trường như hiện nay của ngành vận tải biển thế giới. Ngoài ra, các hậu quả còn phải gánh chịu 
như tạo muội trong buồng đốt động cơ, xu páp, vòi phun, tua bin tăng áp, nồi hơi kinh tế, đã rút 
ngắn tuổi thọ cũng như thời gian bảo dưỡng các cụm chi tiết này. 
4. So sánh Atlas với hệ thống bôi trơn điều khiển điện tử 
 Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ đặc biệt là công nghệ điều khiển, 
bên cạnh việc áp dụng kỹ thuật điều khiển điện tử cho hệ thống phun nhiên liệu vào động cơ tàu 
thủy các nhà chế tạo động cơ cũng đưa ra rất nhiều giải pháp nhằm cải thiện quá trình bôi trơn 
của động cơ trong đó có giải pháp áp dụng công nghệ điều khiển điện tử để điều khiển quá trình 
phun dầu vào xi lanh hay còn gọi hệ thống bôi trơn điện tử. 
a. Hệ thống bôi trơn xi lanh điện tử 
Sơ đồ kết cấu hệ thống bôi trơn đa điểm điều khiển bằng điện tử (gọi tắt là hệ thống bôi trơn 
điện tử) như trong hình 4. 
Hình 4. Sơ đồ khối các cụm chi tiết hệ thống bôi trơn điện tử 
Hoạt động của hệ thống: Dầu xi lanh với áp lực từ 40 bar đên 50 bar được cấp từ cụm bơm 
(Pump Stattion) đến cụm van phân phối rồi tiếp tục được cấp đến các vòi phun dầu xi lanh và sẽ 
phun vào xi lanh động cơ khi bộ MCU điều khiển mở các van điện từ đặt tại các cụm van phân 
phối (Alpha Lubricator tương ứng). Thời điểm phun dựa trên cơ sở của hai tín hiệu từ bộ chuyển 
đổi tín hiệu gồm tín hiệu từ điểm chết trên của xi lanh số 1 và vị trí của trục khuỷu và thường được 
phun vào xi lanh động cơ ở hành trình nén. Lượng dầu bôi trơn xi lanh trong 1 lần phun không đổi, 
lượng dầu đó được điều khiển do tần suất phun (tần suất đóng mở các van điện từ cấp dầu). Tần 
suất phun được tính toán và điều chỉnh dựa trên tín hiệu của phụ tải và tốc độ động cơ. Tần suất 
CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2015 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 41 – 01/2015 9 
phun này thường tỷ lệ với áp suất có ích bình quân của động cơ (MEP). Trong quá trình hoạt động 
bình thường, hệ thống được điều khiển bởi bộ điều khiển chính (Main Control Unit - MCU). Nếu có 
bất kỳ sự không bình thường nào xảy ra trong khi hệ thống hoạt động, hệ thống báo động chung 
sẽ hoạt động và chi tiết của báo động sẽ được hiển thị trên màn hình giám sát theo dõi. Nếu MCU 
bị sự cố không thể hoạt động được, hệ thống dự phòng (Back up Control Unit – BCU) sẽ tự động 
hoạt động thay thế và hệ thống báo động bằng âm thanh hoạt động và đèn báo ‘BCU IN 
CONTROL’ trên màn hình điều khiển (HMI) sẽ sáng. Trường hợp cả MCU và BCU đều sự cố, hệ 
thống bảo vệ sẽ thực hiện giảm tốc độ động cơ. 
b. So sánh ưu nhược điểm 
So sánh ưu nhược điểm các hệ thống bôi trơn đa điểm kiểu cơ khí với kiểu điều khiển bằng 
điện tử: 
Bảng 3. So sánh hai hệ thống bôi trơn cơ khí và điện tử 
Chỉ tiêu đánh giá Hệ thống Atlas cơ khí Hệ thống Alpha điện tử 
Bơm cấp dầu xi lanh 
(Lubricator) 
Trục cam của bơm dầu dẫn động 
bởi trục cam động cơ làm áp suất 
dầu phun vào không đều và bị ảnh 
hưởng bởi tốc độ quay động cơ. 
Bơm tăng áp suất lai bởi động cơ 
điện kết hợp với bình tích năng 
giúp làm đều áp suất phun và 
không ảnh hưởng bởi vòng quay 
động cơ. 
Hành trình bơm 
(Pump stroke) 
Thay đổi (bằng vít điều chỉnh lượng 
dầu bôi trơn cấp vào xi lanh động 
cơ). 
Cố định. 
Áp suất phun Thấp (4 ÷ 5) bar, thay đổi trong 
toàn bộ quá trình cấp dầu vào xi 
lanh làm cho chất lượng phun thay 
đổi. 
Cao (40 ÷ 50) bar, ổn định trong 
suốt quá trình cấp dầu, phân bố 
trên diện tích bề mặt rộng hơn, lớp 
dầu trải đều hơn. 
Tần suất phun Đồng bộ vòng quay động cơ. Điều chỉnh được. 
Thời điểm phun 
(Timing) 
Sai lệch giữa các xi lanh, sai lệch 
với thiết kế do nhiều yếu tố như 
tình trạng kỹ thuật cụm bơm, độ 
mài mòn của hệ thống truyền động 
cơ khí, thời gian hoạt động của 
động cơ. 
Cố định và tối ưu hóa thời điểm 
cấp, đảm bảo chính xác, không 
chịu ảnh hưởng của các yếu tố mài 
mòn cơ khí do vậy không thay đổi 
sau thời gian hoạt động của động 
cơ. 
Suất tiêu hao dầu xi 
lanh (Feed rate) 
1,2 ÷ 1,6 g/kW.h (thực tế cao hơn: 
Petrolimex 16 là 1,9 g/kW.h). 
Khoảng 0,8 g/kW.h tùy theo hàm 
lượng S (lưu huỳnh) và loại dầu xi 
lanh sử dụng. 
Lượng dầu tiêu thụ 
(Consumption) 
Điều chỉnh phụ thuộc tốc độ quay 
động cơ. 
Phụ thuộc tốc độ quay và phụ tải 
động cơ. 
Cách thức điều chỉnh 
lượng dầu bôi trơn 
cấp vào xi lanh động 
cơ 
Điều chỉnh bằng cách thay đổi hành 
trình có ích của piston tịnh tiến 
(bằng vít điều chỉnh), phức tạp và 
độ chính xác không cao. 
Điều chỉnh bằng cách đặt các 
thông số trên màn hình điều khiển 
(HMI) giúp đơn giản, chính xác, 
thuận lợi. 
Dầu cặn trong khoang 
gió quét 
Nhiều, khoang gió quét bẩn. Giảm thiểu, khoang gió quét sạch. 
5. Kết quả và thảo luận 
So với hệ thống Atlas (bảng 4), tiêu thụ dầu xi lanh giảm 130 lít/ngày tương đương 43%. 
Dầu xi lanh đọng trong khoang gió quét xả về két dầu bẩn của khoang gió quét đã giảm đến 38 
lít/ngày tương đương 58%.