Luận án tiến sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu dầu thực vật diesel đến phun nhiên liệu tạo hỗn hợp cháy và tính năng của động cơ diesel tàu thuỷ

Luận án tiến sĩ phân tích nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu dầu thực vật diesel đến phun nhiên liệu tạo hỗn hợp, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng góp

• Tác giả: Nguyễn Đức Hạnh
• Người hướng dẫn: PGS. Đặng Văn Uy
• Trường học: Trường Đại học Hàng hải Việt Nam
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Hỗn Hợp Dầu Thực Vật Và Diesel Đến Hiệu Suất Động Cơ Diesel Tàu Thủy
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• MỞ ĐẦU
• 1. LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
• 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
• 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
• 6. CÁC ĐIỂM ĐÓNG GÓP MỚI
• 7. KẾT CẤU CỦA LUẬN ÁN
• 8. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ẢNH HƯỞNG CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DẦU THỰC VẬT - DIESEL ĐẾN HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY
• 9. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
• 10. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của hỗn hợp dầu thực vật và diesel đến hiệu suất động cơ diesel trên tàu thủy. Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng, việc tìm kiếm các giải pháp thay thế cho nhiên liệu truyền thống trở nên cấp thiết. Nhiên liệu tái tạo như dầu thực vật không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn góp phần vào việc tiết kiệm nhiên liệu. Nghiên cứu này nhằm mục đích đánh giá hiệu quả của việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu trong động cơ diesel, từ đó đưa ra các khuyến nghị cho ngành hàng hải.

1.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp bền vững cho ngành hàng hải. Việc sử dụng dầu diesel kết hợp với dầu thực vật không chỉ giúp giảm thiểu phát thải khí độc hại mà còn nâng cao hiệu suất động cơ. Theo các nghiên cứu trước đây, việc áp dụng nhiên liệu sinh học có thể giảm đáng kể lượng khí thải NOx và SOx, từ đó cải thiện chất lượng môi trường. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh các quy định quốc tế ngày càng nghiêm ngặt về phát thải khí từ động cơ tàu thủy.

II. Cơ sở lý thuyết về động cơ diesel

Động cơ diesel là loại động cơ đốt trong sử dụng nguyên lý nén để đốt cháy nhiên liệu. Hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel bao gồm nhiều thành phần, trong đó hệ thống phun nhiên liệu đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của động cơ. Việc nghiên cứu các thông số như áp suất phun, thời điểm phun và lưu lượng phun là cần thiết để tối ưu hóa quá trình cháy. Các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến tính năng động cơ và mức độ phát thải khí độc hại. Nghiên cứu này sẽ phân tích các thông số kỹ thuật của động cơ diesel và cách mà hỗn hợp nhiên liệu có thể cải thiện hiệu suất.

2.1. Đặc điểm của hệ thống phun nhiên liệu

Hệ thống phun nhiên liệu trong động cơ diesel có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu vào buồng đốt với áp suất và lưu lượng phù hợp. Đặc tính phun nhiên liệu ảnh hưởng đến quá trình hòa trộn và cháy của nhiên liệu. Việc tối ưu hóa các thông số như chiều dài tia phun và đặc tính vi mô của tia phun là rất quan trọng. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng hỗn hợp dầu thực vật và diesel có thể cải thiện đáng kể các đặc tính này, từ đó nâng cao hiệu suất động cơ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

III. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu bao gồm cả lý thuyết và thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết sẽ sử dụng các mô hình toán học để mô phỏng quá trình phun và cháy của hỗn hợp nhiên liệu. Các thông số như nhiệt độ, áp suất và lưu lượng phun sẽ được tính toán và phân tích. Bên cạnh đó, nghiên cứu thực nghiệm sẽ được thực hiện trên động cơ diesel 6LU32, với các thí nghiệm được thiết kế để đánh giá hiệu suất của hỗn hợp dầu thực vật và diesel. Kết quả thu được sẽ được so sánh với các tiêu chuẩn hiện hành để đánh giá tính khả thi của việc áp dụng nhiên liệu tái tạo trong ngành hàng hải.

3.1. Thiết kế thí nghiệm

Thiết kế thí nghiệm sẽ bao gồm việc xác định các điều kiện vận hành của động cơ, bao gồm chế độ tải và các thông số kỹ thuật cần thiết. Các thiết bị đo sẽ được sử dụng để ghi nhận các thông số như áp suất cháy, thời gian cháy trễ và suất tiêu hao nhiên liệu. Kết quả thu được từ thí nghiệm sẽ cung cấp thông tin quan trọng để đánh giá hiệu suất của hỗn hợp nhiên liệu và khả năng giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng hỗn hợp dầu thực vật và diesel có thể cải thiện đáng kể hiệu suất động cơ diesel. Các thông số như thời gian cháy trễ và suất tiêu hao nhiên liệu đều có sự cải thiện rõ rệt. Đặc biệt, lượng khí thải NOx giảm đáng kể khi sử dụng nhiên liệu tái tạo. Những kết quả này không chỉ có ý nghĩa về mặt lý thuyết mà còn có giá trị thực tiễn trong việc phát triển các giải pháp bền vững cho ngành hàng hải. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng cần có thêm các nghiên cứu sâu hơn để tối ưu hóa các thông số kỹ thuật của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu.

4.1. Đánh giá hiệu suất động cơ

Đánh giá hiệu suất động cơ cho thấy rằng hỗn hợp nhiên liệu không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các thông số như áp suất phun và lưu lượng phun đều được tối ưu hóa, dẫn đến quá trình cháy hiệu quả hơn. Kết quả này mở ra hướng đi mới cho việc sử dụng nhiên liệu tái tạo trong ngành hàng hải, góp phần vào việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu dầu thực vật - diesel đến phun nhiên liệu, tạo hỗn hợp, cháy và tính năng của động cơ diesel tàu thủy" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Nguyễn Đức Hạnh, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Đặng Văn Uy và PGS. Nguyễn Đại An tại Trường Đại học Hàng hải Việt Nam (năm 2020). Công trình thuộc ngành Kỹ thuật cơ khí động lực (mã số: 95.116), chuyên ngành Khai thác và bảo trì tàu thủy. Luận án kế thừa và sử dụng một phần kết quả từ Đề tài nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ cấp Quốc gia mã số ĐT.11/NLSH thuộc "Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025" do Bộ Công thương quản lý.

Về tính cấp thiết, vận tải biển toàn cầu chịu sự chi phối chặt chẽ của Phụ lục VI thuộc Công ước quốc tế MARPOL 73/78 do Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO) ban hành, có hiệu lực toàn cầu từ năm 2013 và áp dụng ngưỡng lưu huỳnh 0,5% trong dầu nhiên liệu hàng hải từ ngày 01/01/2020. Đội tàu biển Việt Nam có tổng trọng tải trên 8 triệu tấn DWT, tiêu thụ hàng năm khoảng 400 triệu tấn nhiên liệu hóa thạch, làm phát sinh lượng lớn khí thải độc hại như CO, HC, SOx và đặc biệt là NOx. Nếu không đáp ứng quy chuẩn xả thải, tàu biển sẽ bị từ chối cập cảng quốc tế. Trong khi các giải pháp sử dụng động cơ điện không khả thi đối với tàu biển công suất lớn (từ vài trăm đến hàng vạn kW), còn giải pháp dùng khí thiên nhiên hoặc lắp đặt thiết bị xử lý khí xả (Scrubber, chất xúc tác) đòi hỏi chi phí đầu tư rất cao và phức tạp về phòng chống cháy nổ, thì việc sử dụng nhiên liệu sinh học tái tạo, giàu oxy và hàm lượng lưu huỳnh thấp là hướng tiếp cận có tính khả thi kỹ thuật.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định: Nhiên liệu diesel sinh học (biodiesel/FAME) có chi phí sản xuất cao, đòi hỏi quy trình este hóa sử dụng hóa chất xúc tác dễ gây ô nhiễm thứ cấp, thời gian bảo quản dưới một năm nên khó đáp ứng hành trình dài ngày trên biển. Ngược lại, dầu thực vật nguyên chất sử dụng trực tiếp (Straight Vegetable Oil - SVO), đặc biệt là dầu cọ (PO), có nguồn cung dồi dào tại khu vực Đông Nam Á, giá thành thấp và quy trình sản xuất cơ học đơn giản. Tuy nhiên, dầu cọ có độ nhớt động học và khối lượng riêng cao hơn, nhiệt trị thấp hơn dầu diesel (DO). Khi pha trộn trực tiếp dầu cọ vào dầu diesel để tạo thành hỗn hợp nhiên liệu thay thế mà giữ nguyên kết cấu và thông số cài đặt ban đầu của hệ thống phun nhiên liệu cơ khí truyền thống, các đặc tính phun sương, góc nón tia phun, độ phân rã hạt, thời điểm phun và thời gian cháy trễ sẽ bị biến đổi tiêu cực, gây suy giảm công suất, tăng suất tiêu hao nhiên liệu và ảnh hưởng tới mức phát thải. Các công trình trước đây chủ yếu thử nghiệm tính tương thích hoặc áp dụng cho động cơ tĩnh tại cỡ nhỏ, chưa có nghiên cứu hệ thống nào đánh giá toàn diện từ đặc tính tia phun, mô phỏng số 3D dòng chảy - quá trình cháy đến thực nghiệm và hiệu chỉnh tối ưu hóa hệ thống phun trên động cơ diesel chính tàu thủy.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm hai nội dung chính:

1. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu hỗn hợp dầu cọ nguyên chất - diesel theo các tỉ lệ phần trăm thể tích khác nhau đến đặc tính phun, sự tạo hỗn hợp trong buồng đốt và một số tính năng công tác của động cơ diesel chính tàu thủy Hanshin 6LU32.
2. Đưa ra các giải pháp hiệu chỉnh thích hợp đối với hệ thống phun nhiên liệu của động cơ nghiên cứu và động cơ diesel tàu thủy nói chung khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp nhằm đồng thời thỏa mãn tiêu chuẩn phát thải môi trường (giảm NOx) và chỉ tiêu kinh tế (giảm suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge).

Đối tượng nghiên cứu:

• Hệ thống phun nhiên liệu cơ khí truyền thống của động cơ diesel chính tàu thủy Hanshin 6LU32 (bơm cao áp và vòi phun kín nhiều lỗ tia).
• Nhiên liệu hỗn hợp giữa dầu cọ nguyên chất và dầu diesel theo các tỉ lệ: DO (100% diesel), PO10 (10% dầu cọ), PO20 (20% dầu cọ), PO30 (30% dầu cọ) và PO100 (100% dầu cọ nguyên chất), kết hợp phụ gia Nano Fuel Booster tỉ lệ thể tích 1/800.

Phạm vi nghiên cứu:

• Không gian: Nghiên cứu lý thuyết giải tích, mô phỏng số CFD và thực nghiệm tại Trung tâm thí nghiệm hệ động lực tàu thủy - Trường Đại học Hàng hải Việt Nam; phân tích mẫu nhiên liệu tại Trung tâm đào tạo và Tư vấn KH&CN bảo vệ môi trường thủy (Hải Phòng).
• Giới hạn chế độ vận hành: Thử nghiệm thực tế trên động cơ Hanshin 6LU32 ở hai mức phụ tải 400 kW (tương đương 40% tải định mức) và 600 kW (tương đương 60% tải định mức) tại tốc độ vòng quay danh định 273 vòng/phút.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong phần tổng quan tài liệu, tác giả điểm lại các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến việc ứng dụng dầu thực vật và nhiên liệu sinh học trên động cơ diesel:

Về các nghiên cứu quốc tế:

• Ayhan Demirbas (2007, 2009) nghiên cứu tổng quan lý thuyết về các nguồn nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học từ dầu thực vật và mỡ động vật cùng sự biến thiên đặc tính lý hóa, nhưng dừng lại ở phân tích lý thuyết thuần túy.
• Bari và cộng sự (2004) dùng dầu ăn phế thải (WCO) cho động cơ diesel máy phát điện, xác định khi tăng thời điểm phun thêm 4 độ góc quay trục khuỷu (GQTK) so với mức nguyên bản (15 độ trước điểm chết trên - ĐCT) thì các chỉ tiêu kinh tế và môi trường được cải thiện.
• Herchel Thaddeus và cộng sự (2001) khảo sát động cơ 1 xy lanh chạy bằng dầu cọ nguyên gốc và hỗn hợp dầu cọ - diesel; kết quả ghi nhận phát thải bồ hóng giảm nhưng suất tiêu hao nhiên liệu tăng, đồng thời chưa xác định tỉ lệ phối trộn tối ưu cũng như giải pháp điều chỉnh thông số phun.
• Kalam M.A (2003) tại Đại học Malaya (Malaysia) chứng minh dầu cọ chứa hàm lượng oxy cao và tỉ lệ C/H thấp giúp giảm bồ hóng, song quá trình tạo hỗn hợp kém hơn DO làm giảm công suất động cơ.
• C. Venkataramana Reddy và cộng sự (2010) sử dụng hỗn hợp 20% dầu Honge (cây sồi Ấn Độ) và 80% diesel (H20), chỉ ra rằng khi tăng áp suất phun từ 200 bar lên 225 bar, hiệu suất có ích tăng và bồ hóng giảm.
• Siddalingappa R (2011) nghiên cứu hỗn hợp dầu Karanja (K10, K15, K20) trên động cơ 1 xy lanh, kết luận mức phối trộn K15 phù hợp nhất nhưng cần tăng thời điểm phun sớm thêm 5 độ GQTK để đạt hiệu suất nhiệt tương đương dầu DO.
• Purushothaman K và cộng sự (2009) thử nghiệm hỗn hợp dầu diesel pha 30% tinh dầu cam (OSP) ở các mức áp suất phun 215, 235 và 255 bar, nhận thấy ở 235 bar áp suất xi lanh và hiệu suất nhiệt cao hơn DO, đồng thời CO, HC và bồ hóng đều giảm.
• Tamilporai và Mohd. Shabir (2008) mô phỏng và thực nghiệm quá trình cháy của PO20 từ hạt jatropha trên động cơ 55 kW ở tốc độ 1500 vòng/phút, đưa ra biến thiên áp suất và nhiệt độ nhưng chưa phân tích đầy đủ cấu trúc tia phun.
• Naga Sarada và cộng sự (2010) khảo sát dầu bông trên dải áp suất phun 180 đến 240 bar, xác định mức áp suất 210 bar giúp động cơ làm việc ổn định, giảm HC từ 172 ppm xuống 148 ppm và nâng hiệu suất có ích từ 25,02% lên 28,02%.
• Sapit Azwan và cộng sự (2011) kết luận độ nhớt cao của dầu thực vật nguyên chất cản trở hành trình nâng của kim phun và gây lắng cặn carbon tại đầu vòi phun, do đó khuyến nghị phải tăng áp suất phun.

Về các nghiên cứu tại Việt Nam:

• PGS. Nguyễn Thạch (2009) chế tạo cụm thiết bị chuyển đổi SVO cho trạm phát điện diesel công suất nhỏ trên bộ.
• Nguyễn Hoàng Vũ (2010) tại Học viện Kỹ thuật Quân sự nghiên cứu sử dụng diesel sinh học B10 và B20 trên phương tiện cơ giới quân sự.
• Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam (2009) thử nghiệm hiện trường nhiên liệu B5 từ mỡ cá tra trên động cơ diesel nhưng chưa đi sâu vào cơ chế tạo hỗn hợp và cháy.
• Nguyễn Đức Minh (luận án tiến sĩ) thử nghiệm hỗn hợp dầu đậu tương trên động cơ AD3.152 và 4C90, song dừng ở phân tích định tính chu trình công tác.
• Phùng Minh Lộc nghiên cứu pha dầu dừa vào DO cho động cơ diesel tàu cá cỡ nhỏ có sấy nóng sơ bộ, nhưng chưa đánh giá chi tiết sự làm việc của vòi phun.
• Trần Thế Nam (luận án tiến sĩ) tính toán và thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục cho động cơ Hanshin 6LU32, nhưng chưa nghiên cứu phương pháp hiệu chỉnh hệ thống phun nhiên liệu.
• Mai Đức Nghĩa (luận án tiến sĩ) nghiên cứu ảnh hưởng của góc phun sớm khi dùng hỗn hợp B15 từ dầu dừa cho động cơ diesel cao tốc cỡ nhỏ.
• Đặng Văn Uy và cộng sự (2015, Đề tài ĐT.11/NLSH) nghiên cứu giải pháp công nghệ và thiết bị chuyển đổi SVO cho động cơ diesel tàu thủy cỡ vừa và nhỏ.
• Phan Đắc Yến (2015) và Phan Văn Quân (2015) khảo sát nhiên liệu biodiesel B10, B20 trên xe quân sự và phương tiện thủy nội địa chạy bằng mỡ cá.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án giải quyết: Phần lớn các công trình trong và ngoài nước tập trung vào nhiên liệu biodiesel hoặc áp dụng công nghệ SVO cho động cơ cỡ nhỏ, tốc độ cao trên bộ. Đối với động cơ diesel chính tàu thủy loại trung - thấp tốc, tải trọng lớn, sử dụng vòi phun cơ khí nhiều lỗ tia, chưa có nghiên cứu nào kết hợp đồng bộ: (1) thiết lập công thức xác định các thông số tia phun vĩ mô/vi mô; (2) mô phỏng động lực học lưu chất 3D (CFD) dòng chảy qua vòi phun và buồng đốt; (3) đo đạc thực nghiệm các thông số công tác kết hợp ghi hình quang học buồng đốt bằng thiết bị chuyên dụng Visio Scope; và (4) xây dựng mô hình toán tối ưu hóa đa mục tiêu bằng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) để hiệu chỉnh đồng thời góc phun sớm, áp suất nâng kim phun và tỉ lệ pha trộn dầu cọ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng hệ thống lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật động cơ đốt trong và cơ học chất lưu:

• Lý thuyết phun và tán sương nhiên liệu: Áp dụng mô hình chất lỏng Newton trong điều kiện dòng chảy qua khe hẹp; lý thuyết chuyển động tia phun của Dent; các mô hình tính toán thông số vĩ mô gồm chiều dài tia phun ($S$), chiều dài phân rã sơ cấp ($L_b$), góc nón tia phun ($\Phi$) và thông số vi mô gồm đường kính trung bình hạt Sauter ($SMD$); các tiêu chuẩn vô kích thước Reynolds ($Re$), Weber ($We$) và hiện tượng xâm thực dòng chảy vòi phun.
• Lý thuyết quá trình cháy và hình thành khí thải: Cơ chế bốc cháy tự phát, tính toán thời gian cháy trễ ($\tau_i$), quy luật tỏa nhiệt chu trình công tác; cơ chế tạo mầm và phát thải ôxít nitơ ($NO_x$) qua phản ứng nhiệt độ cao Zeldovich mở rộng.
• Cơ sở lý thuyết tính toán động lực học lưu chất (CFD): Hệ phương trình bảo toàn khối lượng (liên tục), bảo toàn động lượng Navier-Stokes, bảo toàn năng lượng và mô hình rối $k - \varepsilon$ tiêu chuẩn (với các hệ số thực nghiệm chuẩn như $C_\mu = 0{,}9$, $C_\varepsilon = 1{,}92$).
• Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm: Sử dụng phương pháp "Bề mặt đáp ứng" (Response Surface Methodology - RSM) với hàm tối ưu hóa đa mục tiêu, phân tích biểu đồ Pareto chuẩn hóa và kiểm định phần dư nhằm xác định điểm cân bằng giữa suất tiêu hao nhiên liệu ($g_e$) và phát thải $NO_x$.

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

• Phương pháp nghiên cứu tổng hợp kết hợp giữa lý thuyết giải tích, mô phỏng số học và thực nghiệm kiểm chứng.
• Kỹ thuật mô phỏng số: Sử dụng phần mềm AutoCAD Mechanical 2017 để tái dựng chính xác hình học không gian buồng đốt và đầu vòi phun của động cơ Hanshin 6LU32; phần mềm Gambit/Grid để rời rạc hóa và chia lưới tính toán; phần mềm Ansys Fluent để giải hệ phương trình CFD mô phỏng dòng chảy qua 10 lỗ vòi phun và quá trình hòa trộn - cháy trong buồng đốt theo từng góc quay trục khuỷu; phần mềm Tecplot xử lý và trích xuất dữ liệu đồ thị trường áp suất, nhiệt độ, vận tốc và động năng rối.
• Kỹ thuật đo đạc và thực nghiệm: Băng thử động cơ diesel chính tàu thủy Hanshin 6LU32 kết nối phanh thủy lực tại Trung tâm thí nghiệm hệ động lực tàu thủy. Đo áp suất cháy cực đại ($p_z$) và áp suất chỉ thị trong xy lanh số 1 bằng cảm biến áp suất chuyên dụng; phân tích thành phần khí xả ($NO_x$) theo quy chuẩn MARPOL 73/78 Phụ lục VI; ghi nhận hình ảnh quang học trực tiếp về quá trình phun sương, bén lửa và phát triển ngọn lửa trong buồng đốt thông qua thiết bị nội soi Visio Scope tại các mốc GQTK xác định.

Nguồn tư liệu và dữ liệu: Các số liệu đầu vào về tính chất hóa lý của nhiên liệu được kiểm định thực tế theo tiêu chuẩn ASTM và QCVN: 2015/BKH&CN tại Trung tâm đào tạo và Tư vấn KH&CN bảo vệ môi trường thủy (Hải Phòng). Bảng dưới đây tổng hợp các chỉ tiêu cơ bản của các mẫu nhiên liệu phục vụ tính toán và thực nghiệm:

Chỉ tiêu kỹ thuật	DO	PO10	PO20	PO30	PO100
Khối lượng riêng ở $15^\circ\text{C}$ ($\text{kg/m}^3$)	850,0	853,8	859,9	866,8	922,5
Độ nhớt động học ở $40^\circ\text{C}$ ($\text{cSt}$)	2,60	3,42	5,31	6,45	40,24
Trị số Cetan ($CN$)	42,89	50,13	50,91	52,11	52,92
Nhiệt độ chớp cháy cốc kín ($^\circ\text{C}$)	72	73	75	77	135
Nhiệt trị thấp ($MJ/kg$)	43,40	39,72	39,55	38,69	37,11
Sức căng bề mặt ở $40^\circ\text{C}$ ($\text{mN/m}$)	20,0	21,4	22,8	24,2	34,0
Áp suất hơi bão hòa ở $25^\circ\text{C}$ ($\text{MPa}$)	0,0477	0,0456	0,0432	0,0407	0,0500

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở kỹ thuật về hệ thống nhiên liệu (HTNL) trên tàu thủy, chia tách thành hai phân hệ: phần cấp nhiên liệu thấp áp (két chứa, két lắng, phin lọc, bơm chuyển, bầu hâm) và hệ thống phun nhiên liệu cao áp (bơm cao áp, vòi phun kín dùng kim phun, đường ống cao áp). Tác giả so sánh nguyên lý làm việc giữa hệ thống nhiên liệu nhẹ (DO) và hệ thống nhiên liệu nặng (FO/HFO). Đối với hệ thống FO, dầu có độ nhớt trên 30 cSt ở $50^\circ\text{C}$ và khối lượng riêng trên 920 $\text{kg/m}^3$ bắt buộc phải qua hệ thống hâm nóng bằng hơi nước và máy lọc ly tâm trước khi cấp tới bơm cao áp. Đây chính là tiền đề kỹ thuật khẳng định các tàu thủy hiện hữu hoàn toàn có khả năng sấy nóng nhiên liệu hỗn hợp dầu cọ để hạ độ nhớt mà không cần cải tạo lớn phần cứng kết cấu.

Về mặt pháp lý quốc tế, chương này trích dẫn chi tiết quy chuẩn kiểm soát khí thải $NO_x$ theo Phụ lục VI Công ước MARPOL 73/78:

Tiêu chuẩn	Khu vực áp dụng	Thời điểm đóng tàu	Giới hạn phát thải $NO_x$ ($\text{g/kWh}$) theo tốc độ $n$ ($\text{v/p}$)
Tier I	Toàn cầu	01/01/2000	$17{,}0$ (với $n < 130$); $45 \cdot n^{-0{,}2}$ (với $130 \le n < 2000$); $9{,}8$ (với $n \ge 2000$)
Tier II	Toàn cầu	01/01/2011	$14{,}4$ (với $n < 130$); $44 \cdot n^{-0{,}23}$ (với $130 \le n < 2000$); $7{,}7$ (với $n \ge 2000$)
Tier III	Vùng kiểm soát phát thải (ECA)	01/01/2016	$3{,}4$ (với $n < 130$); $9 \cdot n^{-0{,}2}$ (với $130 \le n < 2000$); $2{,}0$ (với $n \ge 2000$)

Tác giả phân tích bảng tổng hợp các giải pháp can thiệp nhằm giảm phát thải $NO_x$ và chỉ ra mâu thuẫn kỹ thuật: hầu hết các giải pháp làm giảm $NO_x$ (như giảm góc phun sớm, hồi lưu khí xả EGR, trễ thời điểm phun) đều dẫn đến việc gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu $g_e$. Do đó, việc nghiên cứu sử dụng hỗn hợp dầu cọ - diesel (với các hàm lượng pha trộn PO10, PO20, PO30) kết hợp hiệu chỉnh hệ thống phun cơ khí được xác định là hướng đi có tính kinh tế và kỹ thuật tối ưu.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết đánh giá quá trình phun nhiên liệu đối với động cơ diesel tàu thủy và giải pháp hiệu chỉnh nhằm đạt chỉ tiêu môi trường, kinh tế

Nội dung Chương 2 tập trung xây dựng mô hình toán giải tích mô tả quá trình phun sương và chuyển động của dòng nhiên liệu trong buồng đốt:

• Các đặc tính vĩ mô của tia phun: Thiết lập công thức toán học xác định chiều dài tia phun ($S$), chiều dài phân rã sơ cấp ($L_b$) và góc nón tán xạ ($\Phi$) dựa trên sự tương tác giữa động năng dòng chất lỏng từ lỗ phun đường kính $d_o$ với lực cản môi chất khí nén có khối lượng riêng $\rho_g$ và áp suất $p_g$.
• Các đặc tính vi mô của tia phun: Thiết lập công thức tính đường kính trung bình hạt nhiên liệu Sauter ($SMD$), chịu ảnh hưởng trực tiếp từ độ nhớt động học $\mu_l$, sức căng bề mặt $\sigma$, khối lượng riêng $\rho_l$ và hệ số vận tốc chảy qua lỗ phun.
• Động học quá trình phun: Phân tích ảnh hưởng của mô-đun đàn hồi thể tích ($K$) và vận tốc truyền sóng âm trong môi chất nhiên liệu đến độ trễ thủy lực, thời điểm bắt đầu nâng kim phun và biến thiên áp suất phun cực đại ($p_{inj}$). Xác định công thức giải tích tính thời gian cháy trễ ($\tau_i$) phụ thuộc vào trị số Cetan ($CN$), áp suất nén $p_c$, nhiệt độ nén $T_c$ và năng lượng hoạt hóa tự cháy $E_A$.
• Thiết lập phương pháp quy hoạch thực nghiệm: Trình bày cơ sở lý thuyết của phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) nhằm tối ưu hóa đồng thời hai hàm mục tiêu đối nghịch ($g_e \to \min$ và $NO_x \to \min$) dưới sự tác động của ba thông số đầu vào có thể can thiệp được trên động cơ tàu thủy: góc phun sớm (GPS), áp suất nâng kim phun ($p_i$) và tỉ lệ phối trộn dầu cọ trong nhiên liệu.

Chương 3. Nghiên cứu lý thuyết ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu dầu thực vật - diesel đến hệ thống phun nhiên liệu động cơ diesel tàu thủy

Trong Chương 3, tác giả thực hiện tính toán số trị giải tích cho 5 loại nhiên liệu (DO, PO10, PO20, PO30, PO100) và tiến hành mô phỏng số 3D bằng phần mềm Ansys Fluent:

• Kết quả giải tích tia phun: Khi tỉ lệ dầu cọ tăng từ 0% lên 100%, độ nhớt và khối lượng riêng tăng làm chiều dài tia phun ($S$) tăng lên, chiều dài phân rã sơ cấp ($L_b$) kéo dài hơn, góc nón tia phun ($\Phi$) bị thu hẹp lại và kích thước hạt trung bình $SMD$ tăng đáng kể. Điều này phản ánh chất lượng tán sương bị suy giảm nếu không tăng áp suất phun. Do mô-đun đàn hồi của dầu cọ lớn hơn DO, sóng áp suất truyền nhanh hơn dẫn đến thời điểm bắt đầu phun thực tế diễn ra sớm hơn, trong khi trị số Cetan cao hơn của dầu cọ làm rút ngắn thời gian cháy trễ ($\tau_i$).
• Mô phỏng dòng chảy qua lỗ vòi phun: Xây dựng mô hình hình học chi tiết đầu vòi phun của động cơ 6LU32 (gồm chùm 10 lỗ phun). Ansys Fluent giải bài toán dòng chảy rối qua lỗ vòi phun, xuất ra trường phân bố áp suất, đường đồng mức vận tốc, đường dòng qua chùm 10 lỗ và từng lỗ đơn lẻ, trường vectơ vận tốc và trường động năng rối. Kết quả chỉ ra rằng nhiên liệu có hàm lượng dầu cọ cao làm gia tăng tổn thất áp suất ma sát cục bộ tại cửa vào lỗ phun và làm thay đổi phân bố động năng rối tại miệng lỗ thoát.
• Mô phỏng quá trình hòa trộn - cháy của hỗn hợp PO20: Tác giả lập mô hình không gian buồng đốt 3D động cơ Hanshin 6LU32 bằng AutoCAD Mechanical 2017 và chia lưới tính toán thích nghi theo chuyển động của piston. Kết quả mô phỏng PO20 theo các góc quay trục khuỷu cho thấy diễn biến trường phân bố áp suất tĩnh, trường nhiệt độ cực đại và trường vận tốc cháy trong xy lanh. Đồ thị diễn biến áp suất chỉ thị từ mô phỏng số đạt độ tương thích cao khi so sánh đối chứng với kết quả thực nghiệm.

Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 4 trình bày toàn bộ quy trình, trang thiết bị và kết quả đo đạc thực nghiệm trên hệ thống động cơ diesel chính tàu thủy Hanshin 6LU32 tại Trung tâm thí nghiệm hệ động lực:

• Thông số kỹ thuật động cơ thử nghiệm Hanshin 6LU32: Động cơ diesel 4 kỳ, 6 xy lanh thẳng hàng, đường kính xy lanh 320 mm, hành trình piston 510 mm, công suất định mức 1000 kW tại vòng quay 273 vòng/phút, trang bị hệ thống tăng áp tuabin khí xả và hệ thống phun nhiên liệu cơ khí gián tiếp qua vòi phun nhiều lỗ.
• Đo đạc thông số công tác: Thực nghiệm tiến hành trên 4 loại nhiên liệu (DO, PO10, PO20, PO30) ở hai mức công suất 400 kW và 600 kW. Kết quả đo cho thấy:
  • Áp suất cháy cực đại ($p_z$): Nhiên liệu hỗn hợp PO có $p_z$ tương đương hoặc hơi cao hơn so với DO ở cùng mức tải do thời điểm bắt đầu phun sớm hơn.
  • Suất tiêu hao nhiên liệu ($g_e$): Khi tỉ lệ dầu cọ tăng từ PO10 đến PO30, $g_e$ có xu hướng tăng nhẹ so với DO do nhiệt trị của dầu cọ thấp hơn DO ($37{,}11\text{ MJ/kg}$ so với $43{,}40\text{ MJ/kg}$).
  • Phát thải $NO_x$: Hàm lượng $NO_x$ trong khí xả tăng dần khi tăng tỉ lệ phối trộn dầu cọ nếu giữ nguyên góc phun sớm ban đầu, do thành phần oxy có sẵn trong phân tử dầu thực vật thúc đẩy phản ứng oxy hóa nitơ ở vùng nhiệt độ cao.
  • Ghi hình quang học buồng đốt bằng Visio Scope: Thiết bị chụp ảnh nội soi quang học trực tiếp quá trình phun và cháy trong xy lanh số 1 tại các mốc GQTK: $-11{,}7^\circ$ (bắt đầu phun), $-7^\circ$ (hòa trộn tự bén lửa), $-3^\circ$ (cháy bùng trước ĐCT), $+5^\circ$, $+11^\circ$ và $+22^\circ$ sau ĐCT. Các hình ảnh thị giác ghi nhận khẳng định rõ sự khác biệt về độ tán sương, góc mở chùm tia và mức độ bao phủ buồng cháy giữa DO và các hỗn hợp PO.
• Hiệu chỉnh tối ưu hóa bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm: Xây dựng ma trận thí nghiệm trực giao với 3 biến số công tác: góc phun sớm (GPS), áp suất nâng kim phun ($p_{inj}$) và tỉ lệ phần trăm dầu cọ (PO%). Sử dụng biểu đồ Pareto chuẩn hóa và phân tích phần dư, tác giả đã giải bài toán tối ưu hai mục tiêu. Kết quả xác định được bộ thông số hiệu chỉnh tối ưu cho động cơ Hanshin 6LU32: sử dụng hỗn hợp PO20, kết hợp điều chỉnh giảm nhẹ góc phun sớm và tăng áp suất phun của vòi phun giúp đưa phát thải $NO_x$ về giới hạn cho phép của chuẩn IMO Tier II mà không làm suy giảm đáng kể hiệu suất kinh tế ($g_e$).

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học:

1. Đã thiết lập được phương pháp tính toán giải tích xác định sự biến thiên của các thông số tia phun (đặc tính vĩ mô và vi mô), thời điểm bắt đầu phun thủy lực, thời điểm tự bốc cháy và thời gian cháy trễ phụ thuộc trực tiếp vào tỉ lệ pha trộn dầu cọ trong nhiên liệu diesel.
2. Xây dựng thành công mô hình mô phỏng số học 3D (CFD) tích hợp dòng lưu chất qua vòi phun nhiều lỗ và quá trình tạo hỗn hợp - cháy trong buồng đốt động cơ diesel tàu thủy kích thước lớn (đường kính xy lanh 320 mm) bằng phần mềm Ansys Fluent, được kiểm chứng độ tin cậy qua dữ liệu thực nghiệm.
3. Ứng dụng thành công lý thuyết "Bề mặt đáp ứng" (RSM) để xây dựng phương pháp hiệu chỉnh hệ thống nhiên liệu cơ khí truyền thống với hàm tối ưu hóa đa mục tiêu (kinh tế và môi trường) chuyên biệt cho động cơ diesel tàu thủy sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật - diesel.

Các đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp kiến nghị:

1. Cung cấp bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm toàn diện trên động cơ Hanshin 6LU32 ở các chế độ tải 400 kW và 600 kW, bao gồm đồ thị chỉ thị áp suất xy lanh, mức tiêu hao nhiên liệu, nồng độ phát thải $NO_x$ và hệ thống hình ảnh quang học nội soi buồng đốt Visio Scope ở các góc quay trục khuỷu xác định.
2. Đề xuất quy trình công nghệ hiệu chỉnh hệ thống phun nhiên liệu cơ khí trên các tàu biển đang khai thác: Khi chuyển sang sử dụng hỗn hợp PO20 (20% dầu cọ nguyên chất pha với DO và phụ gia 1/800), cần tiến hành tăng áp suất nâng kim phun (bằng cách siết vít điều chỉnh sức căng lò xo vòi phun) và hiệu chỉnh giảm góc phun sớm trên bơm cao áp để triệt tiêu hiện tượng phun sớm cơ học, từ đó kiểm soát nồng độ $NO_x$ đạt tiêu chuẩn IMO MARPOL 73/78 Phụ lục VI đồng thời giữ mức tiêu hao nhiên liệu ổn định.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

• Nghiên cứu thực nghiệm mới chỉ thực hiện trên một dòng động cơ diesel tàu thủy cụ thể là Hanshin 6LU32 (động cơ trung tốc 4 kỳ) và dừng lại ở hai chế độ phụ tải thử nghiệm là 40% (400 kW) và 60% (600 kW) trong điều kiện phòng thí nghiệm cố định, chưa thể khảo sát ở mức 100% tải định mức cũng như trong điều kiện hành hải thực tế chịu tác động của sóng gió và rung lắc biển.
• Các khảo sát thực nghiệm tập trung vào hàm lượng phát thải $NO_x$ và suất tiêu hao nhiên liệu $g_e$, chưa đo đạc định lượng chi tiết phát thải bồ hóng, các hạt vật chất lơ lửng (PM) và mức độ mài mòn hóa học lâu dài của cặp chi tiết chính xác (piston bơm cao áp, kim phun) trong thời gian vận hành liên tục hàng nghìn giờ.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Mở rộng thử nghiệm dài hạn hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ - diesel trên các dải tải trọng cao hơn (75%, 85% và 100% tải) và thử nghiệm trực tiếp trên tàu vận tải biển đang hoạt động tuyến thực tế.
• Khảo sát độ bền, sự tạo cặn carbon tại đầu vòi phun, hiện tượng biến chất dầu nhờn bôi trơn và mức độ hao mòn cơ học của kim phun sau thời gian khai thác dài ngày.
• Nghiên cứu ứng dụng giải pháp cho các dòng động cơ diesel 2 kỳ thấp tốc công suất lớn dùng nhiên liệu nặng (HFO).

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo chuyên môn đối với các đối tượng:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí động lực, Khai thác máy tàu thủy, Kỹ thuật nhiệt và Thiết bị năng lượng: Có thể khai thác mô hình toán giải tích quá trình phun sương, phương pháp thiết lập điều kiện biên và chia lưới CFD buồng đốt trong Ansys Fluent (Chương 2 và Chương 3), cùng kỹ thuật sử dụng thiết bị quang học nội soi buồng đốt Visio Scope (Chương 4).
• Các công ty vận tải biển, chủ tàu, kỹ sư khai thác và đăng kiểm viên: Tham khảo quy trình hiệu chỉnh áp suất phun và góc phun sớm trên hệ thống vòi phun cơ khí khi chuyển đổi sử dụng nhiên liệu sinh học hỗn hợp nhằm vượt qua các đợt kiểm tra phát thải $NO_x$ theo Công ước MARPOL 73/78 mà vẫn bảo toàn tính kinh tế của đội tàu.
• Các nhà hoạch định chính sách thuộc Bộ Giao thông Vận tải và Bộ Công thương:

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Như đã biết, HTPNL đóng vai trò vô cùng quan trọng trong quá trình biến năng lượng hóa học từ đốt cháy nhiên liệu thành công năng đối với động cơ đốt trong nói chung và động cơ diesel nói riêng. Trong HTPNL truyền thống kiểu cơ khí, bơm cao áp và vòi phun là hai thành phần cốt lõi và chúng có vai trò quyết định trong quá trình cấp nhiên liệu vào động cơ diesel. Phun nhiên liệu vào động cơ là quá trình tương đối phức tạp và luôn được quan tâm nghiên cứu từ nhiều thập kỉ qua.

Trên thực tế, HTPNL của động cơ diesel thường được thiết kế tối ưu đối với mỗi loại nhiên liệu đã được lựa chọn, kể từ bơm cao áp, đường ống cao áp đến vòi phun và đặc biệt là cấu tạo của các lỗ phun. Vậy nên, muốn biết được sự ảnh hưởng của loại nhiên liệu mới đối với một HTPNL đã có sẵn, nhất thiết phải tìm hiểu dựa trên nền tảng lý thuyết về tổng quát HTNL cho động cơ diesel tàu thủy. Với mục đích như vậy, trong chương này, NCS sẽ trình bày các vấn đề cơ bản cần thiết phục vụ quá trình nghiên cứu như: nguyên lý cấu tạo, chức năng, nhiệm vụ của hệ thống cấp, phun nhiên liệu của động cơ diesel thủy; cấu tạo của vòi phun trong hệ thống phun nhiên liệu kiểu cơ khí truyền thống mà luận án nghiên cứu; xu thế ứng dụng các giải pháp nhằm cải thiện chỉ tiêu kinh tế và môi trường cho động cơ diesel thế hệ cũ hiện nay, trong đó giải pháp áp dụng vào HTPNL là sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật – dầu diesel được quan tâm nghiên cứu, đặc biệt trong lĩnh vực động cơ diesel cỡ vừa và lớn trên tàu thủy hiện nay đang rất được chú trọng về yếu tố bảo vệ môi trường; bên cạnh đó là đánh giá các công trình khoa học trong và ngoài nước liên quan đến nội dung nghiên cứu để tìm ra những điểm mà chưa có tác giả nào đề cập để luận án nghiên cứu giải quyết. Trình bày rõ các cơ sở khoa học lựa chọn đề tài nghiên cứu và các phân tích cụ thể lý do chọn sử dụng hỗn hợp dầu thực vât - diesel có nguồn gốc từ dầu cọ nguyên chất để nghiên cứu.

Cuối cùng là đưa ra các biện pháp nghiên cứu cụ thể trong từng chương của luận án. Hệ thống nhiên liệu động cơ diesel tàu thủy Cấu tạo tổng thể của hệ thống nhiên liệu (HTNL) của động cơ diesel có thể chia thành hai phần là phần cấp nhiên liệu và hệ thống phun nhiên liệu. • Phần cấp nhiên liệu – phần thấp áp: gồm két chứa nhiên liệu, thiết bị hâm, bơm thấp áp, lọc nhiên liệu và ống thấp áp. Chức năng của phần này là lọc sạch nhiên liệu rồi cung cấp cho hệ thống phun với áp suất, độ nhớt và nhiệt độ xác định.

• Hệ thống phun nhiên liệu (HTPNL) – phần cao áp: gồm bơm cao áp (BCA), vòi phun (VP), ống cao áp và các bộ phận điều chỉnh-hiệu chỉnh. HTPNL thực hiện hầu như tất cả các yêu cầu đặt ra đối với quá trình phun nhiên liệu và có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng quá trình hòa trộn, cháy nhiên liệu trong buồng đốt động cơ diesel. Phân loại hệ thống nhiên liệu động cơ diesel tàu thủy Với chức năng lọc sạch nhiên liệu rồi phun vào buồng đốt theo những yêu cầu phù hợp với đặc điểm cấu tạo và tính năng của động cơ. Từ đây, hệ thống nhiên liệu cho động cơ diesel tàu thủy được phân theo loại nhiên liệu như sau: 1.

Hệ thống nhiên liệu nhẹ (DO) Sơ đồ hệ thống: (3) (5) (8) V-1 V-4 E-3 E-2 (9) V-2 V-3 (4) E-4 (1) - V-5 V-10 V-12 V-8 V-9 (6) V-11 E-5 V-13 (7) E-1 V-7 V-6 (2) Hình 1. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu nhẹ cho động cơ diesel tàu thủy (DO) (1)Két chứa (4)Bơm chuyển dầu (7) Bơm cao áp (10) V1÷10 Van chặn (2)Bơm chuyển dầu (5)Két trực nhật (8) Động cơ diesel (11) E1÷5 Phin lọc (3) Két lắng (6) Bơm cấp dầu (9) Vòi phun 8 luan an Nguyên lý làm việc: hệ thống nhiên liệu nhẹ sử dụng cho các động cơ trung tốc và cao tốc công suất nhỏ. Trong động cơ công suất lớn nó tồn tại song song với hệ thống nhiên liệu nặng. Nhiên liệu được bơm từ két chứa lên két lắng.

Tại két lắng các tạp chất bẩn và nước được lắng xuống và xả ra ngoài qua các van xả, sau đó được bơm chuyển lên két trực nhật qua phin lọc. Nhiên liệu được bơm cấp dầu bơm tới bơm cao áp và được đưa đến vòi phun, phun vào xy lanh động cơ (nếu chất lượng dầu không tốt có thể bố trí thêm máy lọc ly tâm trước khi đưa tới két trực nhật). Trong một số hệ thống khác nhiên liệu từ két trực nhật tới BCA nhờ chiều cao của cột nhiên liệu. Đặc điểm: sử dụng nhiên liệu có khối lượng riêng nhỏ (dưới 920 kg/m3), độ nhớt thấp (dưới 30cSt ở 500C), nhiệt độ đông đặc thấp và các tạp chất khác như nước, lưu huỳnh, cốc, tro, xỉ có tỉ lệ nhỏ.

Hệ thống nhiên liệu này không cần hệ thống hâm nhiên liệu cũng như có thể không cần dùng máy lọc ly tâm [14]. Hệ thống nhiên liệu nặng (HFO hoặc FO) Sơ đồ hệ thống: V-7 (7) (6) (3) V-3 V-1 V-2 V-8 (8) (5) E-3 V-6 E-2 V-15 (4) V-10 V-9 E-4 V-4 V-5 (9) (11) (1) V-11 V-12 V-18 No. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu nặng cho động cơ diesel tàu thủy (FO) (1) Két chứa (5) Bầu hâm (9) Bơm cấp dầu (13) Vòi phun (2) Bơm chuyển dầu (6) Két trực nhật FO (10) Bầu hâm dầu (14) V1÷20 Van chặn (3) Két lắng FO (7) Két trực nhật DO (11) Động cơ diesel (15) E1÷6 Phin lọc (4) Máy lọc ly tâm (8) Bầu tách hơi (12) Bơm cao áp 9 luan an Nguyên lý làm việc: nhiên liệu từ két chứa dưới hầm tàu được bơm chuyển dầu hút qua bầu lọc tới két lắng FO (3). Tại két lắng các tạp chất bẩn và nước được lắng xuống và xả ra ngoài, ở két lắng nhiên liệu có thể hâm sơ bộ để việc lắng tốt hơn.

Nhiên liệu từ két lắng qua hộp van V-4 tiếp tục đến bầu hâm của máy lọc nhờ bơm chuyển rồi đến máy lọc ly tâm qua van V-6. Sau khi qua máy lọc để tách bỏ nước cặn bẩn nhiên liệu được đưa về két trực nhật FO qua van V-7. Từ két trực nhật, nhiên liệu chảy về két hoà trộn qua van 3 ngả, qua phin lọc rồi được bơm cấp dầu đẩy qua bầu lọc đến bầu hâm để đảm bảo độ nhớt. Sau đó BCA đẩy theo đường ống cao áp đến VP phun vào động cơ.

Nhánh phần hệ thống nhiên liệu nhẹ: gồm két trực nhật DO lắp song song với két trực nhật FO. Trước khi tàu manơ hoặc điều động từ 20 - 30 phút có thể chuyển việc sử dụng hệ thống nhiên liệu nặng sang hệ thống nhiên liệu nhẹ bằng van chuyển 3 ngả V-8 có tác dụng làm nhiệt độ của nhiên liệu thay đổi từ từ khi chuyển từ nhiên liệu nặng sau nhiên liệu nhẹ và ngược lại để tránh hiện tượng kẹt piston plunger của BCA. Hệ thống này dùng cho các động cơ diesel trung tốc, thấp tốc công suất lớn, sử dụng loại nhiên liệu có khối lượng riêng cao (trên 920 kg/m3), nhiệt độ động đặc, độ nhớt cao (trên 30cSt ở 500C) và có các thành phần tạp chất như nước, lưu huỳnh, cốc, tro, xỉ lớn [14]. Hệ thống phun nhiên liệu động cơ diesel tàu thủy Đối với động cơ diesel thủy, do điều kiện vận hành không giống như các phương tiện vận tải trên bộ, đặc biệt khi tàu ma nơ điều động cũng như khi sóng gió, do vậy HTPNL này cũng phải đáp ứng các yêu cầu tương đối khắt khe [14, 43]: - HTPNL có nhiệm vụ cung cấp đủ một lượng nhiên liệu theo yêu cầu của tải ngoài và trong một khoảng thời gian nhất định vào buồng đốt của động cơ đúng thời điểm, dưới dạng sương mù nhằm tạo điều kiện cho nhiên liệu hòa trộn tốt nhất với khí sạch đã được nén trong xy lanh.

- Thu lại nhiên liệu thừa sau mỗi lần hoạt động của các bơm cao áp đưa quay trở lại két nhiên liệu. Yêu cầu đối với hệ thống phun nhiên liệu cho động cơ diesel tàu thủy Lưu lượng phun: - Lượng nhiên liệu cấp vào phải đủ và chính xác theo yêu cầu của mỗi chu trình và có thể điều chỉnh được theo yêu cầu của phụ tải; 10 luan an - Lượng nhiên liệu phun vào các xy lanh phải đồng đều (sự chênh lệch không vượt quá 5% khi để tay ga về vị trí cấp nhiên liệu lớn nhất). Nếu cấp không đều thì động cơ sẽ hoạt động rung động mạnh ảnh hưởng đến độ bền của động cơ. Thời điểm phun: - Nhiên liệu được phun vào buồng đốt phải đúng thời điểm.

Nếu phun sớm quá, khi đó áp lực khí nén, nhiệt độ trong xy lanh còn thấp, nên nhiên liệu bốc hơi chậm, một phần bám vào đỉnh piston và thành xy lanh sẽ khó cháy gây lãng phí nhiên liệu và sinh khói đen. Một phần nhiên liệu cháy trước điểm chất trên (ĐCT) sẽ gây phản áp làm động cơ chạy rung hoặc sẽ không hoạt động được. Nếu phun muộn quá, thời gian không đủ để nhiên liệu cháy hết và gây lãng phí, áp lực sinh ra sẽ giảm làm giảm công suất động cơ, động cơ thải khói đen. Áp suất phun: Áp suất nhiên liệu phun vào buồng đốt phải đủ lớn để tạo sương tốt và có sức xuyên tốt, tạo điều kiện hoà trộn tối ưu với khí nén trong xy lanh.

Tuy nhiên áp suất phun cũng không yêu cầu quá lớn vì gặp khó khăn trong chế tạo bơm cao áp, giảm tuổi thọ các chi tiết trong hệ thống. Chất lượng phun: - Nhiên liệu phải được phun ở trạng thái tơi sương (càng tơi sương càng tốt) hình dáng tia nhiên liệu phải phù hợp với buồng đốt, các hạt nhiên liệu phải có kích thước tương đối đồng đều, hoà trộn tốt với khí nén; - Quá trình phun phải dứt khoát, không bị nhỏ giọt lúc bắt đầu và lúc kết thúc phun. Phải đảm bảo làm việc ổn định ở tốc độ quay tối thiểu đã quy định hoặc trong quá trình tàu chạy ra vào luồng, tải thấp và không ổn định. Vòi phun Trong HTPNL có nhiều chi tiết quan trọng, luận án chỉ tập trung nghiên cứu đến chi tiết chính là vòi phun của hệ thống phun nhiên liệu kiểu cơ khí truyền thống được trang bị trên các tàu đang khai thác vì nó liên quan đến mục tiêu nghiên cứu.