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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:102

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn "Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Bio-oils/Biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ" được hoàn thành với mục tiêu nhằm 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM -------- oOo -------- NGUYỄN VĂN CƯƠNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU BIO-OILS/BIODIESEL TRÊN ĐỘNG CƠ TÀU THỦY CỠ NHỎ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC MÃ SỐ: 62.84.01.06 CHUYÊN NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ TÀU THỦY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HOÀNG ANH TUẤN TP. HCM 12 - 2017
LỜI CẢM ƠN Tác giả xin trân trọng cảm ơn đến quý Thầy cô giáo Khoa Máy tàu thủy, Khoa Cơ khí, Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải TP. HCM. Cảm ơn Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong, Viện cơ khí động lực, Trường đại học Bách khoa Hà nội đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành các số liệu thực nghiệm và đặc biệt trân trọng cảm ơn Thầy TS. Hoàng Anh Tuấn đã tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Xin cảm ơn tới bạn bè và gia đình đã chia sẻ, giúp đỡ động viên trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Mặc dù đã cố gắng hết sức thực hiện đề tài trong phạm vi và khả năng cho phép để đạt kết quả tốt nhất nhưng chắc chắn rằng không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong sự thông cảm và đóng góp ý kiến quý báu của quý Thầy cô và bạn bè. Tác giả Ks. Nguyễn Văn Cương
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn này là công trình khoa học do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Hoàng Anh Tuấn. Ngoài các nội dung tham khảo trong tài liệu đã được liệt kê trong phần tài liệu tham khảo, Luận văn này không hề sao chép nội dung của bất kỳ công trình khoa học nào tương tự. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật về những lời cam đoan của mình. Tác giả Ks. Nguyễn Văn Cương
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................1 2. Mục đích và yêu cầu của đề tài ...........................................................................2 2.1. Mục đích.......................................................................................................2 2.2. Yêu cầu của đề tài ........................................................................................2 3. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiến ................................................................3 3.1. Ý nghĩa khoa học .........................................................................................3 3.2. Ý nghĩa thực tiễn ..........................................................................................3 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................3 4.1. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................3 4.2. Phạm vi nghiên cứu ......................................................................................3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUA VỀ ĐỀ TÀI .....................................................................4 1.1. Quá trình phát triển và sử dụng động cơ diesel trên Thế giới và việt Nam .....4 1.2. Tổng quan về nhiên liệu sử dụng cho động cơ diesel tàu thủy ........................6 1.2.1. Những đặc tính riêng của động cơ diesel tàu thủy ....................................6 1.2.2. Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel tàu thủy ............................................9 1.3. Tình hình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu thay thế trên Thế giới và Việt Nam .......................................................................................................................11 1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên Thế giới ........................................................11 1.3.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam ..........................................................15 1.4. Kết luận chương 1 ..........................................................................................19 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .........................................................................21 2.1. Tính chất của nhiên liệu .................................................................................21 2.1.1. Tính chất của nhiên liệu diesel (DO) ......................................................21 2.1.2. Tính chất của nhiên liệu thay thế Bio-oils/Biodiesel ..............................25
2.2. Cơ sở lý thuyết sử dụng hỗn hợp nhiên liệu bio-oils/biodiesel thay thế nhiên liệu diesel...............................................................................................................32 2.2.1. Tính chất của nhiên liệu lựa chọn ...........................................................32 2.2.1.1. Tính chất Jatropha Methy Este (JOME) ..........................................32 2.2.1.2. Tính chất dầu Jatropha (JO) nguyên chất.........................................34 2.2.2. Hỗn hợp nhiên liệu bio-oils/biodiesel .....................................................36 2.2.2.1. Xây dựng thuộc tính và thông số nhiệt động của hỗn hợp theo nhiệt độ ...................................................................................................................36 2.2.2.2. Tính toán pha chế hỗn hợp nhiên liệu ..............................................39 2.3. Cơ sở lý thuyết tính toán, thiết kế thiết bị hâm nóng đối với hỗn hợp nhiên liệu bio-oils/biodiesel ............................................................................................41 2.3.1. Cơ sở tính toán hệ thống hâm nóng nhiên liệu kiểu điện-khí xả ............41 2.3.1.1. Tổng quan về thiết bị tận dụng nhiệt khí xả.....................................41 2.3.1.2. Tính toán thiết bị tận dụng nhiệt khí xả ...........................................42 2.3.1.3. Tính toán các thiết bị phụ .................................................................49 2.4. Tính toán, thiết kế hệ thống hâm nhiên liệu kiểu khí xả cho động cơ D243 .50 2.4.1. Xác định các thông số khí xả của động cơ D243 ....................................50 2.4.2. Tính diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị .....................................53 2.4.3. Tính toán két nhiên liệu và tính chọn bơm .............................................56 2.4.4. Tính tổn hao áp suất của dòng khí xả qua thiết bị tận dụng nhiệt...........58 2.4.5. Tính bền bộ tận dụng nhiệt khí xả...........................................................59 2.4.5.1. Phương pháp tính độ bền .................................................................59 2.4.5.2. Kết quả tính độ bền ..........................................................................60 2.5. Kết luận chương 2 ..........................................................................................62 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ......................................................63 3.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm.....................................................................63 3.1.1. Mục đích và phạm vi thử nghiệm ...........................................................63 3.1.1.1. Mục đích thử nghiệm .......................................................................63 3.1.1.2. Phạm vi thử nghiệm .........................................................................63
3.1.2. Sơ đồ bố trí và thiết bị thử nghiệm .........................................................63 3.1.2.1. Sơ đồ bố trí thử nghiệm....................................................................63 3.1.2.2. Thiết bị thử nghiệm ..........................................................................64 3.1.3. Đối tượng thử nghiệm .............................................................................74 3.1.4. Điều kiện và quy trình thử nghiệm .........................................................75 3.1.4.1. Điều kiện thử nghiệm .......................................................................75 3.1.4.2. Quy trình thử nghiệm .......................................................................75 3.2. Phân tích đánh giá kết quả thử nghiệm ..........................................................76 3.2.1. Công suất của động cơ, Ne (kW) ............................................................76 3.2.2. Mômen của động cơ, Me (N.m) ..............................................................77 3.2.3. Suất tiêu hao nhiên liệu, ge (g/kW.h)......................................................78 3.2.4. Hàm lượng phát thải ................................................................................79 3.2.4.1. Phát thải COx ...................................................................................79 3.2.4.2. Phát thải NOx ...................................................................................82 3.2.4.3. Phát thải HC .....................................................................................83 3.2.4.4. Phát thải khói (BN) ..........................................................................85 3.3. Kết luận chương 3 ..........................................................................................86 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN .................................88 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................91
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải Ghi chú IMO Tổ chức hàng hải Quốc tế ISO Tổ chức tiêu chuẩn Quốc tế DO Nhiên liệu nhẹ FO Nhiên liệu nặng HFO Heavy fuel oil MGO Marine gas oil CNG Khí thiên nhiên nén LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng LNG Khí thiên nhiên hóa lỏng ASTM Tiêu chuẩn Hoa kỳ về vật liệu và thử nghiệm QCVN Quy chuẩn Việt Nam TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam V/P Vòng / phút CN Chỉ số cetan CP Điểm vẩn đục PP Điểm đông đặc JO Dầu Jatropha JOME Jatropho Methyl Este GQTK Góc quay trục khuỷu HC Hydrocacbon BN Bosch number SuO Dầu hạt hướng dương SoO Dầu đậu tương CO Dầu dừa
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Phân loại động cơ diesel tàu thủy ...............................................................6 Bảng 1.2. Thời gian cấp nhiên liệu phụ thuộc vào tốc độ làm việc ............................7 Bảng 1.3. Thông số đặc trưng của dầu diesel số 2 (DO) ............................................9 Bảng 1.4. Đánh giá sử dụng diesel sinh học .............................................................12 Bảng 2.1. Tiêu chuẩn đối với nhiên liệu diesel hóa thạch ........................................24 Bảng 2.2. Tiêu chuẩn đối với diesel sinh học gốc B100 ...........................................28 Bảng 2.3. Thành phần hóa học của dầu sinh học gốc, diesel sinh học gốc và nhiên liệu diesel D2 .............................................................................................................29 Bảng 2.4. Độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt, điểm chớp cháy của diesel sinh học gốc, dầu sinh học gốc và diesel D2 ở nhiệt độ 400C ..................................30 Bảng 2.5. Nhiệt trị, số cetane, điểm vẩn đục và điểm đông đặc của dầu sinh học gốc, diesel sinh học gốc và nhiên liệu diesel D2 ..............................................................30 Bảng 2.6. So sánh tính chất của Jatropha methyl este (JOME) và diesel .................34 Bảng 2.7. Kết quả phân tích mẫu nhiên liệu Jatropha...............................................34 Bảng 2.8. So sánh một số tính chất của nhiên liệu Jatropha và Diesel .....................35 Bảng 2.9. Kết quả tính diện tích bề mặt truyền nhiệtcủa thiết bị ..............................53 Bảng 2.10 Kết quả tính toán két nhiên liệu ...............................................................56 Bảng 2.11. Kết quả tính chọn bơm ...........................................................................57 Bảng 2.12. Kết quả tính sức cản tác dụng lên dòng khí lưu động ............................58 Bảng 2.13. Kết quả tính bền bộ tận dụng nhiệt khí thải ............................................60 Bảng 3.1. Các thông số cơ bản của động cơ diesel D243 .........................................74 Bảng 3.2. Giá trị công suất của động cơ ...................................................................76 Bảng 3.3. Giá trị mô men của động cơ .....................................................................77 Bảng 3.4. Suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính ngoài .............................................78 Bảng 3.5. Hàm lượng phát thải CO, ppm..................................................................79 Bảng 3.6. Hàm lượng phát thải CO2, ppm ................................................................81 Bảng 3.7. Hàm lượng phát thải NOx, ppm ................................................................82 Bảng 3.8. Hàm lượng phát thải HC, ppm..................................................................84
Bảng 3.9. Chỉ số phát thải khói .................................................................................85
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1.Các nhà máy và dự án sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt Nam ..............18 Hình 2-1. Cấu trúc phân tử của dầu sinh học gốc .....................................................25 Hình 2-2. Cấu trúc phân tử của diesel sinh học gốc .................................................26 Hình 2-3. Sơ đồ biểu diễn tính chất của diesel sinh học gốc và dầu sinh học gốc ...31 Hình 2-4. Quá trình sản xuất dầu diesel sinh học .....................................................33 Hình 2-5. Đồ thị khối lượng riêng – nhiệt độ ρ =ρ(T) ..............................................36 Hình 2-6. Đồ thị độ nhớt – nhiệt độ µ =µ(T) ............................................................38 Hình 2-7. Đồ thị sức căng bề mặt – nhiệt độ σ =σ(T) ...............................................39 Hình 2-8. Đồ thị mối liên hệ giữa độ nhớt và nhiệt độ .............................................40 Hình 2-9. Tỉ lệ năng lượng nhiệt của động cơ diesel ................................................42 Hình 3-1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm trên băng thử động lực cao ETB .........................64 Hình 3-2. Hệ thống hâm nóng bằng điện-khí xả thử nghiệm ...................................65 Hình 3-3. Phòng thử nghiệm động cơ D243 .............................................................65 Hình 3-4. Sơ đồ nguyên lý làm mát nước AVL 553 .................................................66 Hình 3-5. Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát dầu AVL 554 .......................................67 Hình 3-6. Bộ điều khiển tay ga THA100 ..................................................................68 Hình 3-7. Sơ đồ xác định lượng hỗn hợp nhiên liệu tiêu thụ cho động cơ D243 .....69 Hình 3-8. Mô hình tủ CEB–II ...................................................................................70 Hình 3-9. Sơ đồ cấu tạo của bộ phận phân tích khí CO ............................................71 Hình 3-10. Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích NO và NOx............................................72 Hình 3-11. Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo HC ............................................................73 Hình 3-12. Cấu hình thiết bị SPC 472 ......................................................................74 Hình 3-13. Đồ thị công suất – vòng quay Ne = f (n) ................................................76 Hình 3-14. Đồ thị mô men – vòng quay M = f (n)....................................................77 Hình 3-15. Đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính ngoài ................................78 Hình 3-16. Đồ thị phát thải CO .................................................................................80 Hình 3-17. Đồ thị phát thải CO2................................................................................81 Hình 3-18. Đồ thị phát thải NOx ...............................................................................82
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 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 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 - 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 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 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 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 LOẠI ĐỘNG CƠ DIESEL THÔNG SỐ KỸ THUẬT Cao tốc 4 kỳ Trung tốc 4 kỳ Thấp tốc 2 kỳ Tốc độ trung bình của piston > 8,5 6,5 ÷ 8,5 ≤ 6,5 [m/s]
7 Tốc độ vòng quay trục khuỷu 960 ÷ 3000 400 ÷ 1000 50 ÷ 250 [v/p] 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 Loại động cơ Thông số 3000 v/p 1500 v/p 600 v/p 94 v/p Thời gian phun nhiên liệu/ 0,0016 0,0033 0,0083 0,044 300 GQTK/[s] Số lần phun nhiên liệu trong 25 12,5 5 1,566 một giây 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 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 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 150C Kg/m3 846,4 EETD 84 4 Nhiệt độ chảy loãng 0 C -27 Mackay 82 b