Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Bio-oils/Biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ

6,794
520
102
Hình 3-19. Đồ th phát thi HC ................................................................................. 84
Hình 3-20. Đồ th phát thi khói ............................................................................... 86
Hình 3-19. Đồ thị phát thải HC ................................................................................. 84 Hình 3-20. Đồ thị phát thải khói ............................................................................... 86
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong điều kin nhiên liu hóa thch ngày càng cn kiệt như hiện nay, giá
nhiên liệu tăng cao thì vic hp tác nghiên cu tìm ra nguồn năng lượng mới, năng
ng tái to thay thế nguồn năng lượng truyn thống như hiện nay là mt gii pháp
cp thiết, mang ý nghĩa hết sc to lớn đối vi vấn đề an toàn năng lượng trên Thế
gii nói chung và Vit Nam nói riêng. Nm bắt được xu hướng chung ca Thế gii
và thc hin s ch đạo ca Chính ph, Việt Nam đã tích cực trin khai nghiên cu,
sn xut, th nghim các loi nhiên liu mi. Kết qu là năm 2010, Việt Nam đã sử
dng mt phn nhiên liệu xăng ethanol E5 du diesel sinh hc B5 trong giao
thông vn ti.
Theo các chuyên gia năng lượng, ngun nhiên liu sinh hc rất đa dạng
phong phú, giúp con người không còn ph thuc vào nhiên liu hóa thạch như hiện
nay. Theo chương trình năng lượng ca Chính ph đã ký quyết định phê duyệt “Đề
án phát trin nhiên liu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” tính cấp
thiết ca loi nhin liu mi nhiều ưu điểm ni bật hơn so với loi nhiên liu
truyn thng (du, than, đá ..). Bi tính thân thin vi môi tờng, ít hàm lượng k
gây hiu ng nhà kính, ô nhiễm môi trường mt trong nhng ưu điểm ca loi
nhiên liu mi. Trong tương lai, khi nguồn nhiên liu truyn thng cn kit, nhiên
liu sinh hc chính là ngun thay thế.
Chính vì thế vic tìm kiếm mt ngun nhiên liu mi dồi dào hơn, bền vng
hơn, ít gây ô nhiễm môi trường, hiu ng nhà kính thân thin với môi trường
cũng nhiệm vụ, cũng là hội để làm ch ngun nhiên liu mi. Theo ch đạo
ca Chính ph v chương trình nhiên liệu sinh hc, mc tiêu phát trin nhiên liu
sinh hc, mt dạng năng lượng mi, tái tạo được để thay thế mt phn nhiên liu
hóa thch truyn thng, góp phn bảo đảm an ninh năng lượng bo v môi
trường là định hướng mang tính chiến lược.
Trong ngành hàng hi, phn ln các con tàu đang khai thác hiện nay đều s
dụng động cơ diesel làm thiết b động lực để quay chân vịt, lai máy phát điện hoc
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong điều kiện nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt như hiện nay, giá nhiên liệu tăng cao thì việc hợp tác nghiên cứu tìm ra nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo thay thế nguồn năng lượng truyền thống như hiện nay là một giải pháp cấp thiết, mang ý nghĩa hết sức to lớn đối với vấn đề an toàn năng lượng trên Thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Nắm bắt được xu hướng chung của Thế giới và thực hiện sự chỉ đạo của Chính phủ, Việt Nam đã tích cực triển khai nghiên cứu, sản xuất, thử nghiệm các loại nhiên liệu mới. Kết quả là năm 2010, Việt Nam đã sử dụng một phần nhiên liệu xăng ethanol E5 và dầu diesel sinh học B5 trong giao thông vận tải. Theo các chuyên gia năng lượng, nguồn nhiên liệu sinh học rất đa dạng và phong phú, giúp con người không còn phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch như hiện nay. Theo chương trình năng lượng của Chính phủ đã ký quyết định phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” tính cấp thiết của loại nhiện liệu mới có nhiều ưu điểm nổi bật hơn so với loại nhiên liệu truyền thống (dầu, than, đá ..). Bởi tính thân thiện với môi trường, ít hàm lượng khí gây hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm môi trường là một trong những ưu điểm của loại nhiên liệu mới. Trong tương lai, khi nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, nhiên liệu sinh học chính là nguồn thay thế. Chính vì thế việc tìm kiếm một nguồn nhiên liệu mới dồi dào hơn, bền vững hơn, ít gây ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính và thân thiện với môi trường cũng là nhiệm vụ, cũng là cơ hội để làm chủ nguồn nhiên liệu mới. Theo chỉ đạo của Chính phủ về chương trình nhiên liệu sinh học, mục tiêu phát triển nhiên liệu sinh học, một dạng năng lượng mới, tái tạo được để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường là định hướng mang tính chiến lược. Trong ngành hàng hải, phần lớn các con tàu đang khai thác hiện nay đều sử dụng động cơ diesel làm thiết bị động lực để quay chân vịt, lai máy phát điện hoặc
2
các thiết b khác. Đây là hộ tiêu th nhiên liu hóa thch rt ln và có mc phát thi
cao ra môi trường khiến chúng ta đều đang rất quan tâm.
Mt trong nhng loi nhiên liu thay thế kh năng tái tạo được đánh
giá thân thin với môi trường hin nay là nhiên liu sinh hc. Dng nhiên liu này
đã đang được nghiên cu, s dng rt rộng rãi cho động đốt trong trên các
phương tiện giao thông đường bộ. Còn trong lĩnh vc hàng hi thì loi nhiên liu
này ch yếu được s dụng dưới dng hòa trn vi nhiên liu hóa thạch cho các động
cơ thế h mi hoc hoán ci. Cho nên vic s dng còn hn chế gặp khó khăn.
Đề tài: “Nghiên cu s dng hn hp nhiên liu Bio-oils/Biodiesel trên động
diesel tàu thy c nhỏ”, là một gii pháp rt kh thi và có tính ng dụng cao, đề tài
có ý nghĩa thực tin, phù hp với định hướng phát trin nhiên liu sinh hc ca Vit
Nam. Góp phn vào gii quyết vấn đề hn chế s dng nhiên liu truyn thng gây
ô nhiễm môi trường, hn chế vic khai thác khoáng sn t nhiên. Thúc đẩy mnh
m vic s các loi nhiên liu mi thân thin với môi trường trên các động cơ diesel
tàu thy c nh và trên vn ti đưng b hin nay.
2. Mục đích và yêu cầu của đề tài
2.1. Mục đích
Vi mục đích phát triển ngun nhiên liu sinh hc, mt dạng năng lượng
mi, tái tạo được thay thế mt phn nhiên liu hóa thch truyn thống. Đó mục
đích của đề tài nghiên cu kh năng sử dng hn hp nhiên liu Bio-oils/Biodiesel
trên động cơ diesel tàu thủy c nh.
2.2. Yêu cầu của đề tài
- Xây dng tính toán, thiết kế thiết b hòa trn-hâm nóng, th nghim đối vi
hn hp nhiên liu Bio-oils/Biodiesel.
- Kết qu m phng hn hp nhiên liu Bio-oils/Biodiesel so sánh đối chng
vi nhiên liu truyn thng diesel (DO).
- T đó có các đánh giá, nhận định v vic s dng hn hp nhiên liu Bio-
oils/Biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy c nh.
2 các thiết bị khác. Đây là hộ tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch rất lớn và có mức phát thải cao ra môi trường khiến chúng ta đều đang rất quan tâm. Một trong những loại nhiên liệu thay thế có khả năng tái tạo và được đánh giá thân thiện với môi trường hiện nay là nhiên liệu sinh học. Dạng nhiên liệu này đã và đang được nghiên cứu, sử dụng rất rộng rãi cho động cơ đốt trong trên các phương tiện giao thông đường bộ. Còn trong lĩnh vực hàng hải thì loại nhiên liệu này chủ yếu được sử dụng dưới dạng hòa trộn với nhiên liệu hóa thạch cho các động cơ thế hệ mới hoặc hoán cải. Cho nên việc sử dụng còn hạn chế và gặp khó khăn. Đề tài: “Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Bio-oils/Biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ”, là một giải pháp rất khả thi và có tính ứng dụng cao, đề tài có ý nghĩa thực tiễn, phù hợp với định hướng phát triển nhiên liệu sinh học của Việt Nam. Góp phần vào giải quyết vấn đề hạn chế sử dụng nhiên liệu truyền thống gây ô nhiễm môi trường, hạn chế việc khai thác khoáng sản tự nhiên. Thúc đẩy mạnh mẽ việc sử các loại nhiên liệu mới thân thiện với môi trường trên các động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ và trên vận tải đường bộ hiện nay. 2. Mục đích và yêu cầu của đề tài 2.1. Mục đích Với mục đích phát triển nguồn nhiên liệu sinh học, một dạng năng lượng mới, tái tạo được thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Đó là mục đích của đề tài nghiên cứu khả năng sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Bio-oils/Biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ. 2.2. Yêu cầu của đề tài - Xây dựng tính toán, thiết kế thiết bị hòa trộn-hâm nóng, thử nghiệm đối với hỗn hợp nhiên liệu Bio-oils/Biodiesel. - Kết quả mổ phỏng hỗn hợp nhiên liệu Bio-oils/Biodiesel so sánh đối chứng với nhiên liệu truyền thống diesel (DO). - Từ đó có các đánh giá, nhận định về việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Bio- oils/Biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ.
3
3. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiến
3.1. Ý nghĩa khoa học
- Vi kết qu nghiên cu s là cơ s khẳng định vic s dng hn hp nhiên
liu Bio-oils/Biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy c nhỏ, ý nghĩa quan trọng
trong vic s dng hn hp nhiên liu mi góp phn vào s phát trin ngun
nhiên liu mới đã và đang được s dng hiện nay và trong tương lai.
- Ngoài ra cũng khẳng định vic s dng hn hp nhiên liu Bio-
oils/Biodiesel trên động diesel tàu thủy c nh s mang li hiu qu kinh tế,
gim thiu ô nhim môi trường góp phn làm phong phú ngun nhiên liu s
dụng cho động cơ diesel.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn
Đánh giá hiệu qu vic s dng hn hp nhiên liu Bio-oils/Biodiesel trên
động cơ diesel tàu thủy c nh có ý nghĩa hết sc quan trọng. Đó chính là một trong
các giải pháp để đưa kết qu nghiên cứu được ng dng trc tiếp cho các động cơ
diesel tàu thy c nh Vit Nam mà không cn tiến hành hoán ci hoc sa cha
lớn đối vi bản thân động cơ. Điều này mt mt giúp cho các công ty vn ti thy
gim đáng kể s ph thuc vào vic nhp khu nhiên liu mặt khác cũng giảm
được phát thi các chất độc hi gây ô nhiễm môi trưng. Thay thế mt phn vic s
dng loi nhiên liu truyn thng cho mt s động cơ diesel tàu thy.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng của đề tài nghiên cu s dng hn hp nhiên liu bio-
oils/biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy c nh.
4.2. Phạm vi nghiên cứu
Phm vi nghiên cu là tính toán, thiết kế thiết b hòa trn-hâm nóng đối vi
hn hp nhiên liu bio-oils/biodiesel, t đó đánh giá kết qu th nghim đi vi hn
hp nhiên liu bio-oils/biodiesel s dụng trên động cơ diesel tàu thủy c nh.
3 3. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiến 3.1. Ý nghĩa khoa học - Với kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở khẳng định việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Bio-oils/Biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ, có ý nghĩa quan trọng trong việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu mới và góp phần vào sự phát triển nguồn nhiên liệu mới đã và đang được sử dụng hiện nay và trong tương lai. - Ngoài ra cũng khẳng định việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Bio- oils/Biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ sẽ mang lại hiệu quả kinh tế, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và góp phần làm phong phú nguồn nhiên liệu sử dụng cho động cơ diesel. 3.2. Ý nghĩa thực tiễn Đánh giá hiệu quả việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Bio-oils/Biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ có ý nghĩa hết sức quan trọng. Đó chính là một trong các giải pháp để đưa kết quả nghiên cứu được ứng dụng trực tiếp cho các động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ ở Việt Nam mà không cần tiến hành hoán cải hoặc sửa chữa lớn đối với bản thân động cơ. Điều này một mặt giúp cho các công ty vận tải thủy giảm đáng kể sự phụ thuộc vào việc nhập khẩu nhiên liệu và mặt khác cũng giảm được phát thải các chất độc hại gây ô nhiễm môi trường. Thay thế một phần việc sử dụng loại nhiên liệu truyền thống cho một số động cơ diesel tàu thủy. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng của đề tài là nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu bio- oils/biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ. 4.2. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu là tính toán, thiết kế thiết bị hòa trộn-hâm nóng đối với hỗn hợp nhiên liệu bio-oils/biodiesel, từ đó đánh giá kết quả thử nghiệm đối với hỗn hợp nhiên liệu bio-oils/biodiesel sử dụng trên động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ.
4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUA VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Quá trình phát triển và sử dụng động cơ diesel trên Thế giới và việt Nam
Động diesel tàu thủy động cơ đốt trong, s cháy ca nhiên liu du
diesel xy ra trong buồng đốt khi piston đi tới gần điểm chết trên trong k nén,
nhiên liệu được phun vào, hòa trn, bốc hơi và bốc cháy dưới tác động ca nhiệt độ
áp sut cao ca không khí nén. Động cơ diesel do một k người Đức, ông
Rudolf Diesel phát minh ra vào năm 1892. Chu trình làm vic của động cũng
được gi là chu trình Diesel.
Trên Thế gii vi s phát trin ln mnh ca các ngành công nghip, chế to
ngay t rt lâu cho nên vic s dụng động diesel vào trong các ngành nông
nghip, công nghip, giao thông vn rt rng rãi, vi công sut quy ln.
Không ch những nước công nghip phát trin đã ng dng sm mà còn luôn luôn
ci tiến để đáp ứng với như cầu phát trin trên Thế gii hin nay. T những động
cơ thô sơ, kết cu ln, cng knh qua thời gian đã trở thành những động cơ nhỏ gn,
đẹp v hình dáng, mu mã, hiện đại trong h t động điều khin khai thác. Do
những ưu điểm của động cơ diesel hơn so với động cơ xăng như hiệu suất động cơ
cao hơn, nhiên liệu r tiền hơn, sử dụng được các loi hn hp nhiên liu cht
ợng cũng không phải quá khắt khe nên động diesel được s dng rng rãi
trong nhiu ngành, nhiều lĩnh vực.
Trong s nghip công nghip hóa, hiện đại hóa ngày này vic s dng các
loại động cơ diesel cỡ nh có vai trò quan trng, góp phn vào s phát trin ca nn
kinh tế quốc dân trong các lĩnh vực như sản xut chế biến, trong ngành ng
nghip, ngành giao thông vn tải đường bộ, đường thủy…. Để động diesel cỡ
nh hoạt động hiu quả, đáp ứng yêu cầu trong các lĩnh vc khai thác, sn xut thì
bên cnh vic chế to ci tiến v kết cấu động cơ nhằm nâng cao công sut, ch tiêu
v kinh tế, cn các công trình nghiên cứu khác như sản xut nhiên liu mi,
nhiên liu sinh hc thay thế mt phn nhiên liu truyn thng và thân thin, không ô
nhiễm môi trường, gây hiu ng nhà kính. Các nghiên cứu đó đã và đang được các
nước, các t chc và các nhà khoa hc trên Thế gii nghiên cu rt nhiều đưa
4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUA VỀ ĐỀ TÀI 1.1. Quá trình phát triển và sử dụng động cơ diesel trên Thế giới và việt Nam Động cơ diesel tàu thủy là động cơ đốt trong, sự cháy của nhiên liệu dầu diesel xảy ra trong buồng đốt khi piston đi tới gần điểm chết trên trong kỳ nén, nhiên liệu được phun vào, hòa trộn, bốc hơi và bốc cháy dưới tác động của nhiệt độ và áp suất cao của không khí nén. Động cơ diesel do một kỹ sư người Đức, ông Rudolf Diesel phát minh ra vào năm 1892. Chu trình làm việc của động cơ cũng được gọi là chu trình Diesel. Trên Thế giới với sự phát triển lớn mạnh của các ngành công nghiệp, chế tạo ngay từ rất lâu cho nên việc sử dụng động cơ diesel vào trong các ngành nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận rất rộng rãi, với công suất và quy mô lớn. Không chỉ những nước công nghiệp phát triển đã ứng dụng sớm mà còn luôn luôn cải tiến để đáp ứng với như cầu phát triển ở trên Thế giới hiện nay. Từ những động cơ thô sơ, kết cấu lớn, cồng kềnh qua thời gian đã trở thành những động cơ nhỏ gọn, đẹp về hình dáng, mẫu mã, hiện đại trong hệ tự động điều khiển và khai thác. Do những ưu điểm của động cơ diesel hơn so với động cơ xăng như hiệu suất động cơ cao hơn, nhiên liệu rẻ tiền hơn, sử dụng được các loại hỗn hợp nhiên liệu và chất lượng cũng không phải quá khắt khe nên động cơ diesel được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực. Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày này việc sử dụng các loại động cơ diesel cỡ nhỏ có vai trò quan trọng, góp phần vào sự phát triển của nền kinh tế quốc dân trong các lĩnh vực như sản xuất chế biến, trong ngành nông nghiệp, ngành giao thông vận tải đường bộ, đường thủy…. Để động cơ diesel cỡ nhỏ hoạt động hiệu quả, đáp ứng yêu cầu trong các lĩnh vực khai thác, sản xuất thì bên cạnh việc chế tạo cải tiến về kết cấu động cơ nhằm nâng cao công suất, chỉ tiêu về kinh tế, cần có các công trình nghiên cứu khác như sản xuất nhiên liệu mới, nhiên liệu sinh học thay thế một phần nhiên liệu truyền thồng và thân thiện, không ô nhiễm môi trường, gây hiệu ứng nhà kính. Các nghiên cứu đó đã và đang được các nước, các tổ chức và các nhà khoa học trên Thế giới nghiên cứu rất nhiều và đưa
5
vào ng dng vi mục đích là thân thiện với môi trường gim thiểu lượng khí
thi đc hại ra môi trường vv…
Ti Vit Nam hiện nay động diesel cũng đã và đang được s dng rng
rãi trong các ngành nông nghip, công nghip, giao thông vn tải đường bộ, đường
thy t rt lâu. Vit Nam là một đất nưc nh chiến tranh kéo dài, hin ti chúng ta
một nước đang phát triển vi nn nông nghip, công nghip, giao thông vn ti
lc hu, còn non trẻ…. Việc phát trin luôn tt hậu, cách xa hơn nhiều so vi các
nước trong khu vc trên Thế gii trong mọi lĩnh vực, chính vì điều đó việc ng
dng các công ngh, sn phm công nghip trên Thế giới vào trong nước luôn được
Nhà nước quan tâm, đầu tư mạnh m, nhất là đối với các nhà đầu tư việc to ra sn
phẩm mang tính ưu vit thì vic áp dng máy móc hiện đại vào sn xuất được ưu
tiên phát triển. Trong đó động diesel cỡ nh đưc chú trng phát trin ng
dng vào thc tế trong các ngành sn xut, phát triển như đối vi mt s loi xe ô tô
ca hãng Hyundai, Mercedes vv… Theo xu hướng phát trin chung trên Thế gii
cũng như Vit Nam thì trong những năm tiếp theo vic s dụng các động
diesel c nh thế h mi đưc quan tâm phát trin mnh m bởi tính ưu việt như tiết
kim nhiên liu, hot đng êm và không ô nhim môi trường.
Trong lĩnh vực nông, lâm ngư nghiệp động cơ diesel c nh được dùng làm
nguồn động lực để làm đất, bơm nước, nghim thức ăn gia súc, máy xay sát vv..
Động cơ diesel cỡ nh cũng đưc làm hn hp máy kéo, máy phát điện trên b cho
các công ty, xí nghiệp nhà máy vv… Hầu hết động cơ diesel cỡ nh hoạt động tc
độ ổn định và gn sát vi vòng quay thiết kế, công sut phù hp với các ngành, lĩnh
vc sn xut, khai thác trên b. Cu to của động cơ cũng đơn giản, d s dng,
sa cha, khai thác và bo qun bảo dưỡng.
Trong lĩnh vực đường thủy động cơ diesel được s dng rng rãi trên tt c
các con tàu mặt nước k c tàu ngầm trong lĩnh vực quân s. Chính những ưu
điểm của động diesel hơn so với động xăng cho nên các nhà máy đóng tàu,
các nhà chế to sn xuất động cơ diesel, nhà đầu tư và khai thác sử dụng đã đặt
niềm tin vào động cơ diesel. Động cơ diesel đưc lắp đặt dưới tàu thủy làm động
5 vào ứng dụng với mục đích là thân thiện với môi trường và giảm thiểu lượng khí thải độc hại ra môi trường vv… Tại Việt Nam hiện nay động cơ diesel cũng đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các ngành nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải đường bộ, đường thủy từ rất lâu. Việt Nam là một đất nước nhỏ chiến tranh kéo dài, hiện tại chúng ta là một nước đang phát triển với nền nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải lạc hậu, còn non trẻ…. Việc phát triển luôn tụt hậu, cách xa hơn nhiều so với các nước trong khu vực và trên Thế giới trong mọi lĩnh vực, chính vì điều đó việc ứng dụng các công nghệ, sản phẩm công nghiệp trên Thế giới vào trong nước luôn được Nhà nước quan tâm, đầu tư mạnh mẽ, nhất là đối với các nhà đầu tư việc tạo ra sản phẩm mang tính ưu việt thì việc áp dụng máy móc hiện đại vào sản xuất được ưu tiên phát triển. Trong đó động cơ diesel cỡ nhỏ được chú trọng phát triển và ứng dụng vào thực tế trong các ngành sản xuất, phát triển như đối với một số loại xe ô tô của hãng Hyundai, Mercedes vv… Theo xu hướng phát triển chung ở trên Thế giới cũng như ở Việt Nam thì trong những năm tiếp theo việc sử dụng các động cơ diesel cỡ nhỏ thế hệ mới được quan tâm phát triển mạnh mẽ bởi tính ưu việt như tiết kiệm nhiên liệu, hoạt động êm và không ô nhiễm môi trường. Trong lĩnh vực nông, lâm ngư nghiệp động cơ diesel cỡ nhỏ được dùng làm nguồn động lực để làm đất, bơm nước, nghiềm thức ăn gia súc, máy xay sát vv.. Động cơ diesel cỡ nhỏ cũng được làm hỗn hợp máy kéo, máy phát điện trên bờ cho các công ty, xí nghiệp nhà máy vv… Hầu hết động cơ diesel cỡ nhỏ hoạt động ở tốc độ ổn định và gần sát với vòng quay thiết kế, công suất phù hợp với các ngành, lĩnh vực sản xuất, khai thác ở trên bờ. Cấu tạo của động cơ cũng đơn giản, dễ sử dụng, sửa chữa, khai thác và bảo quản bảo dưỡng. Trong lĩnh vực đường thủy động cơ diesel được sử dụng rộng rãi trên tất cả các con tàu mặt nước và kể cả tàu ngầm trong lĩnh vực quân sự. Chính những ưu điểm của động cơ diesel hơn so với động cơ xăng cho nên các nhà máy đóng tàu, các nhà chế tạo sản xuất động cơ diesel, nhà đầu tư và khai thác sử dụng đã đặt niềm tin vào động cơ diesel. Động cơ diesel được lắp đặt ở dưới tàu thủy làm động
6
lực để đẩy tàu, lai máy phát điện, lai bơm… Tùy thuộc vào tng mục đích sử dng
động diesel lắp dưới tàu nhiu loi công suất khác nhau như động
chm tc công sut lớn, động cao tốc, động cơ trung tốc động công suất
nh. Cùng với đó là nguồn nhiên liu s dụng cho động cơ cũng có nhiều như nhiên
liu nh (DO), nhiên liu nng (FO) và các loi nhiên liu hòa trn gia nhiên liu
(DO) vi các loi du thc vt và đng vt.
Ngày nay tt c tiến b v khoa hc công ngh, sn xut chế tạo động cơ
diesel đều mong mun to ra nhng thế h động cơ mới đáp ứng vi nhu cu, mc
đích sử dng của con người, đáp ứng với điều kiện khai thác và đặc biệt là đáp ứng
được vấn đề khí thải không gây ô nhiêm môi trưng, hiu ứng nhà kính. Trong đó là
động sử dng các loi nhiên liu mi, nhiên liu sinh hc thay thế nhiên liu
truyn thng là mt yêu cu mang tính cp thiết. Việc bước đầu đưa các loại nhiên
liu mi, nhiên liu sinh hc vào s dụng trên động cơ diesel là các động cơ diesel
công sut nh trên tàu thy.
1.2. Tổng quan về nhiên liệu sử dụng cho động cơ diesel tàu thủy
1.2.1. Những đặc tính riêng của động cơ diesel tàu thủy
Động diesel lắp trên tàu thy thường đảm nhn chức năng làm động
chính lai chân vt hoặc động cơ phụ lai máy phát điện, hoc lai các thiết b ph động
lc khác. Ngoài những đặc điểm cu tạo chung, động diesel tàu thủy có nhiu
đặc điểm riêng bit so với các động diesel lắp c định hoc trang b trên các
phương tiện giao thông vn tải đường bộ. Điều này xut phát t yêu cầu đặc bit v
tính năng, chế độ làm việc, điều kin khai thác lắp đặt cũng như các quy định
hin hành ca nhà chế to. Trên thc tế phân loại động cơ diesel tàu thủy theo vòng
quay và công sut thành 3 loại như (bảng 1.1).
Bảng 1.1. Phân loại động cơ diesel tàu thủy
THÔNG S K THUT
LOI ĐỘNG CƠ DIESEL
Cao tc 4 k
Trung tc 4 k
Thp tc 2 k
Tốc độ trung bình ca piston
[m/s]
> 8,5
6,5 ÷ 8,5
≤ 6,5
6 lực để đẩy tàu, lai máy phát điện, lai bơm… Tùy thuộc vào từng mục đích sử dụng mà động cơ diesel lắp ở dưới tàu có nhiều loại công suất khác nhau như động cơ chậm tốc công suất lớn, động cơ cao tốc, động cơ trung tốc và động cơ công suất nhỏ. Cùng với đó là nguồn nhiên liệu sử dụng cho động cơ cũng có nhiều như nhiên liệu nhẹ (DO), nhiên liệu nặng (FO) và các loại nhiên liệu hòa trộn giữa nhiên liệu (DO) với các loại dầu thực vật và động vật. Ngày nay tất cả tiến bộ về khoa học công nghệ, sản xuất chế tạo động cơ diesel đều mong muốn tạo ra những thế hệ động cơ mới đáp ứng với nhu cầu, mục đích sử dụng của con người, đáp ứng với điều kiện khai thác và đặc biệt là đáp ứng được vấn đề khí thải không gây ô nhiêm môi trường, hiệu ứng nhà kính. Trong đó là động cơ sử dụng các loại nhiên liệu mới, nhiên liệu sinh học thay thế nhiên liệu truyền thống là một yêu cầu mang tính cấp thiết. Việc bước đầu đưa các loại nhiên liệu mới, nhiên liệu sinh học vào sử dụng trên động cơ diesel là các động cơ diesel công suất nhỏ trên tàu thủy. 1.2. Tổng quan về nhiên liệu sử dụng cho động cơ diesel tàu thủy 1.2.1. Những đặc tính riêng của động cơ diesel tàu thủy Động cơ diesel lắp trên tàu thủy thường đảm nhận chức năng làm động cơ chính lai chân vịt hoặc động cơ phụ lai máy phát điện, hoặc lai các thiết bị phụ động lực khác. Ngoài những đặc điểm cấu tạo chung, động cơ diesel tàu thủy có nhiều đặc điểm riêng biệt so với các động cơ diesel lắp cố định hoặc trang bị trên các phương tiện giao thông vận tải đường bộ. Điều này xuất phát từ yêu cầu đặc biệt về tính năng, chế độ làm việc, điều kiện khai thác và lắp đặt cũng như các quy định hiện hành của nhà chế tạo. Trên thực tế phân loại động cơ diesel tàu thủy theo vòng quay và công suất thành 3 loại như (bảng 1.1). Bảng 1.1. Phân loại động cơ diesel tàu thủy THÔNG SỐ KỸ THUẬT LOẠI ĐỘNG CƠ DIESEL Cao tốc 4 kỳ Trung tốc 4 kỳ Thấp tốc 2 kỳ Tốc độ trung bình của piston [m/s] > 8,5 6,5 ÷ 8,5 ≤ 6,5
7
Tốc độ vòng quay trc khuu
[v/p]
960 ÷ 3000
400 ÷ 1000
50 ÷ 250
Công sut [kW]
Đến 5000
500 ÷ 30.000
1.500÷100.000
Động diesel dùng làm động chính lai chân vịt, lai máy phát điện, lai
các thiết b ph, có kh năng hoạt động ổn định, tin cy trong mt thi gian dài, liên
tục, trong môi trường thường xuyên thay đổi v điều kin vt lý (nhiệt độ, độ m
…) và hóa học (t l mui trong không khí). Vi nhng yêu cu cao v độ an toàn,
độ tin cy, tính kinh tế các hãng sn xut. Ngoài những động cơ có vòng quay cao,
công sut lớn đưc phân loi bng trên thì trên các tàu quân s, tàu du lch, dch
v cũng đang sử dng rt nhiều động cơ công suất nh để lai máy phát điện s
c. Không ch trong ngành vn tải đường thy quân s, trong ngành giao thông
vn tải đường b thì động cơ có công suất nh cũng được s dng rt nhiu trên các
phương tiện, công trình, nhà máy, xí nghip.
Trong quá trình thiết kế và chế to, vòng quay công tác của động cơ sẽ quyết
định thi gian cp nhiên liệu vào động cơ và theo đó là loại nhiên liu thích hợp. Để
thấy được bc tranh nhiên liu s dụng cho động cơ thể hin trên (bng 1.2), ly giá
tr vòng quay ca mt s loại động tiêu biểu để tính toán và cho thy thi gian
cp nhiên liệu vào động cơ phụ thuc vào tốc độ làm vic ca chúng.
Bảng 1.2. Thời gian cấp nhiên liệu phụ thuộc vào tốc độ làm việc
Loi động cơ
3000 v/p
1500 v/p
600 v/p
94 v/p
0,0016
0,0033
0,0083
0,044
25
12,5
5
1,566
T nhng s liu trên cho thy:
- Động cơ diesel tốc độ cao (t 1500-3000 v/p), thi gian cp nhiên liu vào
động cơ rất ngn và ch xy ra trong vòng t 0,0016 đến 0,0033 giấy. Đối vi loi
7 Tốc độ vòng quay trục khuỷu [v/p] 960 ÷ 3000 400 ÷ 1000 50 ÷ 250 Công suất [kW] Đến 5000 500 ÷ 30.000 1.500÷100.000 Động cơ diesel dùng làm động cơ chính lai chân vịt, lai máy phát điện, lai các thiết bị phụ, có khả năng hoạt động ổn định, tin cậy trong một thời gian dài, liên tục, trong môi trường thường xuyên thay đổi về điều kiện vật lý (nhiệt độ, độ ẩm …) và hóa học (tỷ lệ muối trong không khí). Với những yêu cầu cao về độ an toàn, độ tin cậy, tính kinh tế các hãng sản xuất. Ngoài những động cơ có vòng quay cao, công suất lớn được phân loại ở bảng trên thì trên các tàu quân sự, tàu du lịch, dịch vụ cũng đang sử dụng rất nhiều động cơ có công suất nhỏ để lai máy phát điện sự cố. Không chỉ trong ngành vận tải đường thủy và quân sự, trong ngành giao thông vận tải đường bộ thì động cơ có công suất nhỏ cũng được sử dụng rất nhiều trên các phương tiện, công trình, nhà máy, xí nghiệp. Trong quá trình thiết kế và chế tạo, vòng quay công tác của động cơ sẽ quyết định thời gian cấp nhiên liệu vào động cơ và theo đó là loại nhiên liệu thích hợp. Để thấy được bức tranh nhiên liệu sử dụng cho động cơ thể hiện trên (bảng 1.2), lấy giá trị vòng quay của một số loại động cơ tiêu biểu để tính toán và cho thấy thời gian cấp nhiên liệu vào động cơ phụ thuộc vào tốc độ làm việc của chúng. Bảng 1.2. Thời gian cấp nhiên liệu phụ thuộc vào tốc độ làm việc Thông số Loại động cơ 3000 v/p 1500 v/p 600 v/p 94 v/p Thời gian phun nhiên liệu/ 30 0 GQTK/[s] 0,0016 0,0033 0,0083 0,044 Số lần phun nhiên liệu trong một giây 25 12,5 5 1,566 Từ những số liệu trên cho thấy: - Động cơ diesel tốc độ cao (từ 1500-3000 v/p), thời gian cấp nhiên liệu vào động cơ rất ngắn và chỉ xảy ra trong vòng từ 0,0016 đến 0,0033 giấy. Đối với loại
8
động cơ này, nhiên liệu được s dng là du diesel nh MGO (marine gas oil) vi
chất lượng cao và giá thành tương đối đắt. Nếu s dng du nng HFO (heavy fuel
oil) vi chất lượng kém hơn sẽy ảnh hưởng xấu đến quá trình công tác của động
cơ, bởi du nng cn thi gian bốc hơi dài hơn để hòa trn vi không khí to
thành hn hp cháy hoàn chnh.
- Đối với động cơ diesel tốc độ trung bình và thp (t 600 đến 94 v/p), thi
gian cp nhiên liu s dài hơn so với động cơ cao tốc và xy ra t 0,0083 đến 0,044
giy. Với đặc tính như vậy động cơ diesel loại này th s dụng được nhiên liu
nng vi cht ng và giá thành thấp hơn.
Vi những đặc điểm k thuật như trên động cơ diesel tàu thủy thường khá d
tính trong quá trình s dng các nhiên liu khác nhau, t nhiên liệu chưng cất đến
nhiên liu nng. Thc tế nhằm tăng tính kinh tế trong quá trình khai thác đối vi
động cơ diesel trung tốc và thp tc trên tàu thì nhiên liệu HFO được dùng ch yếu.
Nhiên liệu chưng cất có độ nht thấp thường được dùng trong các chế độ làm vic
không ổn định, chế độ chuyn tiếp nhằm đảm bo các thông s công tác động cơ.
Nhng loi nhiên liệu đều có những đặc trưng riêng, đáp ứng yêu cu của động cơ
theo cu to, s hoạt động khai thác động như: Tỷ trng, nhit trị, độ nht,
nhiệt độ đông đặc, nhiệt độ bén la, tr s tan, hàm ợng tro, hàm lượng lưu
huỳnh, hàm lượng nước vv.
Chính vì vy, các tàu vn ti biển thường dùng động cơ 2 kỳ thp tc t 50
đến 210 v/p làm động chính. Trong khi đó, các động cơ ph thường dùng động
diesel 4 khoặc không tăng áp, vòng quay cao. Với các loi tàu chuyên
dụng như các tàu kéo, phà, tàu chy bin, các loại động cơ diesel trung tốc và cao
tc có vòng quay lớn hơn 1500 v/p được s dng rộng rãi làm động cơ chính. Hiện
nay Vit Nam có ti gần như 100% tàu sông và tàu pha sông biển trang b thiết b
năng lượng diesel. S ng tàu biển cũng chiếm đến 95-97% tng s lắp đặt
thiết b năng lượng diesel.
8 động cơ này, nhiên liệu được sử dụng là dầu diesel nhẹ MGO (marine gas oil) với chất lượng cao và giá thành tương đối đắt. Nếu sử dụng dầu nặng HFO (heavy fuel oil) với chất lượng kém hơn sẽ gây ảnh hưởng xấu đến quá trình công tác của động cơ, bởi vì dầu nặng cần thời gian bốc hơi dài hơn để hòa trộn với không khí tạo thành hỗn hợp cháy hoàn chỉnh. - Đối với động cơ diesel tốc độ trung bình và thấp (từ 600 đến 94 v/p), thời gian cấp nhiên liệu sẽ dài hơn so với động cơ cao tốc và xảy ra từ 0,0083 đến 0,044 giấy. Với đặc tính như vậy động cơ diesel loại này có thể sử dụng được nhiên liệu nặng với chất lượng và giá thành thấp hơn. Với những đặc điểm kỹ thuật như trên động cơ diesel tàu thủy thường khá dễ tính trong quá trình sử dụng các nhiên liệu khác nhau, từ nhiên liệu chưng cất đến nhiên liệu nặng. Thực tế nhằm tăng tính kinh tế trong quá trình khai thác đối với động cơ diesel trung tốc và thấp tốc trên tàu thì nhiên liệu HFO được dùng chủ yếu. Nhiên liệu chưng cất có độ nhớt thấp thường được dùng trong các chế độ làm việc không ổn định, chế độ chuyển tiếp nhằm đảm bảo các thông số công tác động cơ. Những loại nhiên liệu đều có những đặc trưng riêng, đáp ứng yêu cầu của động cơ theo cấu tạo, sự hoạt động và khai thác động cơ như: Tỷ trọng, nhiệt trị, độ nhớt, nhiệt độ đông đặc, nhiệt độ bén lửa, trị số xê tan, hàm lượng tro, hàm lượng lưu huỳnh, hàm lượng nước vv. Chính vì vậy, các tàu vận tải biển thường dùng động cơ 2 kỳ thấp tốc từ 50 đến 210 v/p làm động cơ chính. Trong khi đó, các động cơ phụ thường dùng động cơ diesel 4 kỳ có hoặc không có tăng áp, vòng quay cao. Với các loại tàu chuyên dụng như các tàu kéo, phà, tàu chạy biển, các loại động cơ diesel trung tốc và cao tốc có vòng quay lớn hơn 1500 v/p được sử dụng rộng rãi làm động cơ chính. Hiện nay ở Việt Nam có tới gần như 100% tàu sông và tàu pha sông biển trang bị thiết bị năng lượng diesel. Số lượng tàu biển cũng chiếm đến 95-97% tổng số có lắp đặt thiết bị năng lượng diesel.
9
1.2.2. Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel tàu thủy
Thông thường nhiên liệu được dùng cho động diesel sẽ quyết định bi
chính những đặc tính k thuật đặc trưng của động cơ như đưc trình bày (phn
1.2.1). Vì vy T chc tiêu chun quc tế (ISO) đã đưa ra nhng tiêu chuẩn đối vi
các loi nhiên liu thích hp vi các loại động cơ diesel, trong đó có động cơ diesel
tàu thy. Các tiêu chun mang tính bt buộc đối vi nhiên liu dùng cho động
diesel tàu thy da trên các tính cht ca nhiên liệu như: Tỷ trng, nhit tr thp, tr
stan, thành phần lưu huỳnh …. Đây cũng là cơ sở để đánh giá sự phù hợp, độ
tin cy và an toàn ca mt loi nhiên liu khi s dng làm nhiên liu thay thế cho
động cơ diesel tàu thủy.
Theo tiêu chun ca M, dầu diesel được chia thành 6 loi khác nhau được
đánh số t 1 đến 6 tùy thuộc vào điểm sôi, thành phn hóa hc, mục đích s dng
độ nhớt (độ nht càng cao thì ch s càng cao). Độ nht ca du diesel s 6
cao nht và s 1 là thp nht. Các loi dầu diesel đánh s t 1 đến 3 thường là dng
dầu diesel chưng cất. Du diesel s 1 chính là du ha, hay còn gi là dầu hơi vì khi
đốt nóng du s hóa hơi hoàn toàn. Dầu diesel s 2 (hay gi du DO) du
diesel được dùng ch yếu cho các động diesel đưng b diesel tàu thy vi
các tính chất được trình bày (bng 1.3). Du diesel s 6 chính là phn còn li ca
du thô sau khi tt c các thành phần như xăng, dầu ha và thành phn dầu đốt s 2
bay hơi lên, nên còn được gi là du cn hay du nng. Du diesel s 4 là sn phm
hòa trn du diesel s 2 và du cn s 6. Du diesel s 5 cũng là sản phm hòa trn
ca hai loại trên nhưng tỉ l du cn diesel s 6 trong hn hợp cao hơn lên tới
75% khi lưng.
Bảng 1.3. Thông số đặc trưng của dầu diesel số 2 (DO)
STT
Thông s
Đơn vị
Giá tr
Tiêu chun
1
Hàm lượng lưu huỳnh
% khi lưng
0,36
EETD 86
2
Nhit đ chp cháy cc h
0
C
91
EETD 84
3
Trng ng riêng 15
0
C
Kg/m
3
846,4
EETD 84
4
Nhit đ chy loãng
0
C
-27
Mackay 82 b
9 1.2.2. Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel tàu thủy Thông thường nhiên liệu được dùng cho động cơ diesel sẽ quyết định bởi chính những đặc tính kỹ thuật đặc trưng của động cơ như được trình bày ở (phần 1.2.1). Vì vậy Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế (ISO) đã đưa ra những tiêu chuẩn đối với các loại nhiên liệu thích hợp với các loại động cơ diesel, trong đó có động cơ diesel tàu thủy. Các tiêu chuẩn mang tính bắt buộc đối với nhiên liệu dùng cho động cơ diesel tàu thủy dựa trên các tính chất của nhiên liệu như: Tỷ trọng, nhiệt trị thấp, trị số xê tan, thành phần lưu huỳnh …. Đây cũng là cơ sở để đánh giá sự phù hợp, độ tin cậy và an toàn của một loại nhiên liệu khi sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel tàu thủy. Theo tiêu chuẩn của Mỹ, dầu diesel được chia thành 6 loại khác nhau được đánh số từ 1 đến 6 tùy thuộc vào điểm sôi, thành phần hóa học, mục đích sử dụng và độ nhớt (độ nhớt càng cao thì chỉ số càng cao). Độ nhớt của dầu diesel số 6 là cao nhất và số 1 là thấp nhất. Các loại dầu diesel đánh số từ 1 đến 3 thường là dạng dầu diesel chưng cất. Dầu diesel số 1 chính là dầu hỏa, hay còn gọi là dầu hơi vì khi đốt nóng dầu sẽ hóa hơi hoàn toàn. Dầu diesel số 2 (hay gọi là dầu DO) là dầu diesel được dùng chủ yếu cho các động cơ diesel đường bộ và diesel tàu thủy với các tính chất được trình bày ở (bảng 1.3). Dầu diesel số 6 chính là phần còn lại của dầu thô sau khi tất cả các thành phần như xăng, dầu hỏa và thành phần dầu đốt số 2 bay hơi lên, nên còn được gọi là dầu cặn hay dầu nặng. Dầu diesel số 4 là sản phẩm hòa trộn dầu diesel số 2 và dầu cặn số 6. Dầu diesel số 5 cũng là sản phẩm hòa trộn của hai loại trên nhưng tỉ lệ dầu cặn diesel số 6 trong hỗn hợp cao hơn và lên tới 75% khối lượng. Bảng 1.3. Thông số đặc trưng của dầu diesel số 2 (DO) STT Thông số Đơn vị Giá trị Tiêu chuẩn 1 Hàm lượng lưu huỳnh % khối lượng 0,36 EETD 86 2 Nhiệt độ chớp cháy cốc hở 0 C 91 EETD 84 3 Trọng lượng riêng ở 15 0 C Kg/m 3 846,4 EETD 84 4 Nhiệt độ chảy loãng 0 C -27 Mackay 82 b